JP2023057172A - Semiconductor device - Google Patents

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Daigo Ito
大介 松林
Daisuke Matsubayashi
雅晴 永井
Masaharu Nagai
孔明 山本
Komei Yamamoto
崇 浜田
Takashi Hamada
豊 岡崎
Yutaka Okazaki
慎也 笹川
Shinya Sasagawa
求 倉田
Motomu Kurata
直人 山出
Naoto Yamade
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with reduced parasitic capacitance.
SOLUTION: A semiconductor device includes a first insulating layer on a substrate, a first metal oxide layer on the first insulating layer, an oxide semiconductor layer on the first metal oxide layer, a second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer, a gate insulating layer on the second metal oxide layer, a second insulating layer on the second metal oxide layer, and a gate electrode layer on the gate insulating layer. The gate insulating layer includes a region in contact with a side surface of the gate electrode layer. The second insulating layer includes a region in contact with the gate insulating layer. The oxide semiconductor layer includes a first region to a third region. The first region includes a region overlapping with the gate electrode layer. The second region includes a region overlapping with the gate insulating layer or the second insulating layer. The second region is a region between the first region and the third region. The second region and the third region include a region containing an element N (N is phosphorus, argon, or xenon).
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2023,JPO&INPIT

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に
、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、それらの
駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置ま
たはその作製方法に関する。
The present invention relates to an article, method or method of manufacture. Alternatively, the invention relates to a process, machine, manufacture or composition of matter. In particular, the present invention relates to, for example, semiconductor devices, display devices, light-emitting devices, power storage devices, imaging devices, driving methods thereof, or manufacturing methods thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、
表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are modes of a semiconductor device. Also, a storage device,
A display device and an electronic device may include a semiconductor device.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜を用いてトランジスタを構成する技術が注
目されている。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のよう
な電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリ
コン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されて
いる。
A technique for forming a transistor using a semiconductor film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. Such transistors are widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.

例えば、トランジスタの活性層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、および
亜鉛(Zn)を含む非晶質酸化物半導体層を用いたトランジスタが特許文献1に開示され
ている。
For example, Patent Document 1 discloses a transistor using an amorphous oxide semiconductor layer containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as an active layer of the transistor.

特開2006-165528号公報JP 2006-165528 A

トランジスタを高集積化させた半導体装置を作製していくうえで、トランジスタの微細化
は不可欠である。しかしながら、トランジスタの微細化において、トランジスタの寄生容
量の増加が問題となる。
2. Description of the Related Art Miniaturization of transistors is indispensable for manufacturing semiconductor devices in which transistors are highly integrated. However, miniaturization of transistors poses a problem of an increase in parasitic capacitance of the transistors.

例えば、トランジスタ動作において、チャネル近傍(例えば、ソース電極-ドレイン電極
間)に寄生容量が存在する場合、寄生容量の充電に要する時間が必要となる。そのため、
トランジスタの応答性、ひいては半導体装置の応答性を低下させてしまう。
For example, in transistor operation, if parasitic capacitance exists in the vicinity of the channel (for example, between the source electrode and the drain electrode), it takes time to charge the parasitic capacitance. for that reason,
Responsiveness of the transistor and, in turn, the responsiveness of the semiconductor device are deteriorated.

また、トランジスタの微細化が進むにつれ、トランジスタの形状制御性は困難を増す。製
造工程により生じるばらつきが、トランジスタ特性、さらには信頼性に大きな影響を与え
てしまう。
In addition, as the miniaturization of transistors progresses, the difficulty in controlling the shape of transistors increases. Variation caused by the manufacturing process greatly affects transistor characteristics and reliability.

したがって、本発明の一態様は、トランジスタの寄生容量を低減することを目的の一つす
る。または、高速動作が可能な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、
電気特性が良好な半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い
半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、トランジスタまたは半導体装置
の、製造工程に起因した特性のばらつきを低減することを目的の一つとする。または、酸
素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体装置を提供することを目的の一つとする。
または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を提供することを目的の一つとす
る。または、酸化物半導体層近傍の界面準位密度を低減することができる構成の半導体装
置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供すること
を目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする
。または上記半導体装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。
Therefore, one object of one embodiment of the present invention is to reduce parasitic capacitance of a transistor. Another object is to provide a semiconductor device that can operate at high speed. or,
An object is to provide a semiconductor device with favorable electrical characteristics. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object is to reduce variation in characteristics of a transistor or a semiconductor device due to a manufacturing process. Another object is to provide a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies.
Another object is to provide a semiconductor device that can be formed through a simple process. Another object is to provide a semiconductor device having a structure in which interface state density in the vicinity of an oxide semiconductor layer can be reduced. Another object is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like. Another object is to provide a method for manufacturing the above semiconductor device.

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

(1)
本発明の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第1金
属酸化物層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、第2金属酸
化物層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲート電極層と、を有し、酸化物半導体層
は、第1領域乃至第3領域を有し、第1領域および第2領域は、ゲート電極層と重なる領
域を有し、第2領域は、第1領域と第3領域の間の領域であって、第2領域は、第1領域
に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、
第2領域および、第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域
を有することを特徴とする半導体装置である。
(1)
One embodiment of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and It has a second metal oxide layer, a gate insulating layer over the second metal oxide layer, and a gate electrode layer over the gate insulating layer, and the oxide semiconductor layer has first to third regions. the first region and the second region have a region overlapping with the gate electrode layer, the second region is a region between the first region and the third region, and the second region overlaps the first region; has a region of lower resistance than the second region, the third region has a region of lower resistance than the second region,
The semiconductor device is characterized in that the second region and the third region have regions containing an element N (N is phosphorus, argon, or xenon).

(2)
本発明の別の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第
1金属酸化物層上の酸化物半導体層と、第1絶縁層、酸化物半導体層上の第2金属酸化物
層と、第2金属酸化物層上の第1ゲート絶縁層と、第1ゲート絶縁層上のゲート電極層と
、を有し、第2金属酸化物層、および第1ゲート絶縁層は、第1金属酸化物層、酸化物半
導体層の側面と対向する領域を有し、酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有し、
第1領域および第2領域は、ゲート電極層と重なる領域を有し、第2領域は、第1領域と
第3領域の間の領域であって、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第
3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有し、第2領域および、第3領域は、元素
N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域を有すること、を特徴とする半導体
装置である。
(2)
Another aspect of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and the first insulating layer. a second metal oxide layer on the oxide semiconductor layer; a first gate insulating layer on the second metal oxide layer; and a gate electrode layer on the first gate insulating layer; the oxide semiconductor layer and the first gate insulating layer have regions facing side surfaces of the first metal oxide layer and the oxide semiconductor layer, and the oxide semiconductor layer has first to third regions;
The first region and the second region have a region that overlaps the gate electrode layer, the second region is a region between the first region and the third region, and the second region is greater than the first region. The third region has a region with a lower resistance than the second region, and the second region and the third region contain element N (N is phosphorus, argon, xenon ).

(3)
本発明の別の一態様は、(2)において、第1ゲート絶縁層、およびゲート電極層の間に
第2ゲート絶縁層を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(3)
Another aspect of the present invention is the semiconductor device according to (2), further comprising a second gate insulating layer between the first gate insulating layer and the gate electrode layer.

(4)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(3)のいずれか一において、第2領域は、第1領域
に比して元素Nの濃度が高い領域を有し、第3領域は、第2領域に比して元素Nの濃度が
高い領域を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(4)
In another aspect of the present invention, in any one of (1) to (3), the second region has a region with a higher concentration of element N than the first region, and the third region comprises The semiconductor device is characterized by having a region in which the concentration of the element N is higher than that of the second region.

(5)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(4)のいずれか一項において、第3領域は元素Nの
濃度が1×1018atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下である
領域を有すること、を特徴とする半導体装置。
(5)
In another aspect of the present invention, in any one of (1) to (4), the concentration of the element N in the third region is 1×10 18 atoms/cm 3 or more and 1×10 22 atoms/cm 3 or less. A semiconductor device, comprising:

(6)
本発明の一態様は、基板上の第1絶縁層と、第1絶縁層上の第1金属酸化物層と、第1金
属酸化物層上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上の第2金属酸化物層と、第2金属酸
化物層上のゲート絶縁層と、第2金属酸化物層上の第2絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲー
ト電極層と、を有し、ゲート絶縁層は、ゲート電極層の側面と接する領域を有し第2絶縁
層は、ゲート絶縁層と接する領域を有し、酸化物半導体層は、第1領域乃至第3領域を有
し、第1領域は、ゲート電極層と重なる領域を有し、第2領域は、ゲート絶縁層、または
第2絶縁層と重なる領域を有し、第2領域は、第1領域と第3領域の間の領域であって、
第2領域および、第3領域は、元素N(Nは、リン、アルゴン、キセノン)を有する領域
を有すること、を特徴とする半導体装置である。
(6)
One embodiment of the present invention includes a first insulating layer over a substrate, a first metal oxide layer over the first insulating layer, an oxide semiconductor layer over the first metal oxide layer, and a second metal oxide layer, a gate insulating layer on the second metal oxide layer, a second insulating layer on the second metal oxide layer, and a gate electrode layer on the gate insulating layer; The insulating layer has a region in contact with the side surface of the gate electrode layer, the second insulating layer has a region in contact with the gate insulating layer, the oxide semiconductor layer has first to third regions, and the first The region has a region that overlaps with the gate electrode layer, the second region has a region that overlaps with the gate insulating layer or the second insulating layer, and the second region is a region between the first region and the third region. and
The semiconductor device is characterized in that the second region and the third region have regions containing an element N (N is phosphorus, argon, or xenon).

(7)
本発明の別の一態様は、(6)において、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域
を有し、第3領域は、第2領域に比して抵抗の低い領域を有すること、を特徴とする半導
体装置である。
(7)
Another aspect of the present invention is that in (6), the second region has a region with lower resistance than the first region, and the third region has a region with lower resistance than the second region A semiconductor device comprising:

(8)
本発明の別の一態様は、(6)または(7)において、基板底面とゲート電極層の側面の
接線がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、を特徴とする半導体装
置。
(8)
Another aspect of the present invention is characterized in that in (6) or (7), the angle formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the gate electrode layer is 60 degrees or more and 85 degrees or less. semiconductor device.

(9)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物
層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半
導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層
、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3
金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して
平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一
部をエッチングすることにより第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形
成し、第4絶縁層および第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に第1
導電層を形成し、第1導電層および第5絶縁層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化
処理することにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクと
して用いて第4絶縁層および第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート絶縁層を形
成し、ゲート電極層をマスクとして用いて第2酸化物半導体層に対してイオン添加するこ
とにより、ソース領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作
製方法である。
(9)
In another aspect of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, and a first A stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched in an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer, and a second oxidation is performed. a semiconductor layer and a third insulating layer on the first insulating layer;
forming a metal oxide layer, forming a second insulating layer on the third metal oxide layer, planarizing the second insulating layer to form a third insulating layer, and forming a second mask; to form a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer by etching a portion of the third insulating layer using a fifth insulating layer on the fourth insulating layer and the third metal oxide layer forming an insulating layer and forming a first insulating layer on the fifth insulating layer;
forming a conductive layer and planarizing the first conductive layer and the fifth insulating layer until the fourth insulating layer is exposed to form a gate electrode layer and a sixth insulating layer; masking the gate electrode layer; A gate insulating layer is formed by etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer using as a mask, and ions are added to the second oxide semiconductor layer using the gate electrode layer as a mask to form a source region. and forming a drain region.

(10)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物
層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半
導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層
、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3
金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、第1ゲート絶
縁層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶
縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、第1
ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第1ゲート
絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化処
理することにより、ゲート電極層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて、第4絶
縁層をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、ゲート電極
層をマスクとして用いて第1絶縁層をエッチングすることにより、第2ゲート絶縁層を形
成し、第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイ
ン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(10)
In another aspect of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, and a first A stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched in an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer, and a second oxidation is performed. a semiconductor layer and a third insulating layer on the first insulating layer;
forming a metal oxide layer, forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer, forming a second insulating layer on the first gate insulating layer, and planarizing the second insulating layer to form a third insulating layer, and etching a portion of the third insulating layer using a second mask to form the first
forming a fourth insulating layer having a trench reaching the gate insulating layer, forming a first conductive layer on the fourth insulating layer and the first gate insulating layer, and exposing the fourth insulating layer with respect to the first conductive layer A gate electrode layer is formed by performing a planarization process until the gate electrode layer is flattened, and the fourth insulating layer is etched using the gate electrode layer as a mask to provide a region where the first gate insulating layer is exposed. is used as a mask to etch the first insulating layer to form a second gate insulating layer, and the second oxide semiconductor layer is ion-doped to form a source region and a drain region; A method for manufacturing a semiconductor device characterized by the following.

(11)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物
層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半
導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより第2金属酸化物層
、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第3
金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第1ゲート絶縁層を形成し、第1ゲート絶
縁層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対して平坦化処理を行うことにより、第3絶
縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の一部をエッチングすることにより、第1
ゲート絶縁層に到達する溝部を有する第4絶縁層を形成し、第4絶縁層および第1ゲート
絶縁層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に第1導電層を形成し、第1導電層、およ
び第5絶縁層に対して第4絶縁層が露出するまで平坦化処理することにより、ゲート電極
層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層をマスクとして用いて第4絶縁層、および第
6絶縁層をエッチングすることにより、第1ゲート絶縁層を露出する領域を設け、第2酸
化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソース領域およびドレイン領域を形成
すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(11)
In another aspect of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, and a first A stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer is etched in an island shape using a first mask to form a second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer, and a second oxidation is performed. a semiconductor layer and a third insulating layer on the first insulating layer;
forming a metal oxide layer, forming a first gate insulating layer on the third metal oxide layer, forming a second insulating layer on the first gate insulating layer, and planarizing the second insulating layer to form a third insulating layer, and etching a portion of the third insulating layer using a second mask to form the first
forming a fourth insulating layer having a trench reaching the gate insulating layer; forming a fifth insulating layer over the fourth insulating layer and the first gate insulating layer; forming a first conductive layer over the fifth insulating layer; , the first conductive layer, and the fifth insulating layer are planarized until the fourth insulating layer is exposed, thereby forming a gate electrode layer and a sixth insulating layer, and using the gate electrode layer as a mask, a first insulating layer is formed. Etching the fourth insulating layer and the sixth insulating layer to provide a region exposing the first gate insulating layer, and adding ions to the second oxide semiconductor layer to form a source region and a drain region. A method for manufacturing a semiconductor device characterized by:

(12)
本発明の別の一態様は、(9)乃至(11)のいずれか一項において、イオン添加におい
て、リン、アルゴン、またはキセノンを用いること、を特徴とする半導体装置の作製方法
である。
(12)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of (9) to (11), wherein phosphorus, argon, or xenon is used for ion addition.

(13)
本発明の別の一態様は、(9)乃至(12)のいずれか一項において、イオン添加におい
て、イオンのドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm
以下とすること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(13)
Another aspect of the present invention is that in any one of (9) to (12), the dose of ions in the ion addition is 1×10 14 ions/cm 2 or more and 5×10 16 ions/cm
2 or less.

(14)
本発明の別の一態様は、基板上に第1絶縁層を形成し、第1絶縁層上に、第1金属酸化物
層、および第1酸化物半導体層の積層を成膜し、第1金属酸化物層、および第1酸化物半
導体層の積層を、第1マスクを用いて島状にエッチングすることにより、第2金属酸化物
層、および第2酸化物半導体層を形成し、第2酸化物半導体層、および第1絶縁層上に第
3金属酸化物層を形成し、第3金属酸化物層上に第2絶縁層を形成し、第2絶縁層に対し
て平坦化処理を行うことにより、第3絶縁層を形成し、第2マスクを用いて第3絶縁層の
一部をエッチングすることにより、第3金属酸化物層に到達する溝部を有する第4絶縁層
を形成し、第4絶縁層および第3金属酸化物層上に第5絶縁層を形成し、第5絶縁層上に
第1導電層を形成し、第1導電層および第5絶縁層に対して、第4絶縁層が露出するまで
平坦化処理をすることにより、ゲート電極層および第6絶縁層を形成し、ゲート電極層を
マスクとして用いて、第4絶縁層および第6絶縁層をエッチングすることにより、ゲート
電極層の側面と接する領域を有するゲート絶縁層、およびゲート絶縁層と接する領域を有
する第7絶縁層を形成し、第2酸化物半導体層に対してイオン添加することにより、ソー
ス領域およびドレイン領域を形成すること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(14)
In another aspect of the present invention, a first insulating layer is formed over a substrate, a stack of a first metal oxide layer and a first oxide semiconductor layer is formed over the first insulating layer, and a first A second metal oxide layer and a second oxide semiconductor layer are formed by etching the stack of the metal oxide layer and the first oxide semiconductor layer into an island shape using the first mask. A third metal oxide layer is formed over the oxide semiconductor layer and the first insulating layer, a second insulating layer is formed over the third metal oxide layer, and planarization treatment is performed on the second insulating layer. forming a third insulating layer, and etching a portion of the third insulating layer using a second mask to form a fourth insulating layer having a groove reaching the third metal oxide layer; forming a fifth insulating layer over the fourth insulating layer and the third metal oxide layer; forming a first conductive layer over the fifth insulating layer; forming a fourth insulating layer over the first conductive layer and the fifth insulating layer; A planarization process is performed until the insulating layer is exposed to form a gate electrode layer and a sixth insulating layer, and the gate electrode layer is used as a mask to etch the fourth insulating layer and the sixth insulating layer. A gate insulating layer having a region in contact with the side surface of the gate electrode layer and a seventh insulating layer having a region in contact with the gate insulating layer are formed, and ions are added to the second oxide semiconductor layer to form a source region and a drain. Forming a region is a method for manufacturing a semiconductor device.

(15)
本発明の別の一態様は、(14)において、イオン添加において、リン、アルゴン、また
はキセノンを用いること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(15)
Another embodiment of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device in (14), wherein phosphorus, argon, or xenon is used for ion addition.

(16)
本発明の別の一態様は、(14)または(15)において、イオン添加において、イオン
のドーズ量は1×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とす
ること、を特徴とする半導体装置の作製方法である。
(16)
Another aspect of the present invention is that in (14) or (15), the dose of ions in the ion addition is 1×10 14 ions/cm 2 or more and 5×10 16 ions/cm 2 or less. A method for manufacturing a semiconductor device characterized by the following.

(17)
本発明の別の一態様は、(14)乃至(16)のいずれか一項において、ゲート電極層の
側面の接線と、基板の底面がなす角は、60度以上85度以下である領域を有すること、
を特徴とする、半導体装置の作製方法である。
(17)
Another embodiment of the present invention is the region in any one of (14) to (16), in which an angle formed by a tangent to the side surface of the gate electrode layer and the bottom surface of the substrate is 60 degrees or more and 85 degrees or less. to have
A method for manufacturing a semiconductor device characterized by

(18)
本発明の別の一態様は、(1)乃至(8)のいずれか一項に記載の半導体装置と、筐体と
、スピーカーと、を有することを特徴とする電子機器である。
(18)
Another embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device according to any one of (1) to (8), a housing, and a speaker.

したがって、本発明の一態様を用いることにより、トランジスタの寄生容量を低減するこ
とができ、高速動作が可能な半導体装置を提供することができる。または、電気特性が良
好な半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供するこ
とができる。または、トランジスタまたは半導体装置の、製造工程に起因した特性のばら
つきを低減することができる。または、酸素欠損の少ない酸化物半導体層を有する半導体
装置を提供することができる。または、簡易な工程で形成することができる半導体装置を
提供することができる。または、酸化物半導体層近傍の界面準位密度を低減することがで
きる構成の半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供
することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。または上記
半導体装置の作製方法を提供することができる。
Therefore, by using one embodiment of the present invention, parasitic capacitance of a transistor can be reduced, and a semiconductor device capable of high-speed operation can be provided. Alternatively, a semiconductor device with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, variations in characteristics of transistors or semiconductor devices due to manufacturing processes can be reduced. Alternatively, a semiconductor device including an oxide semiconductor layer with few oxygen vacancies can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can be formed through a simple process can be provided. Alternatively, a semiconductor device having a structure in which the interface state density in the vicinity of the oxide semiconductor layer can be reduced can be provided. Alternatively, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device or the like can be provided. Alternatively, a method for manufacturing the above semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、必ずしも、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 preclude the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. Effects other than these are self-evident from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract effects other than these from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. is.

トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタの断面図、およびバンド図を説明する模式図。1A and 1B are a cross-sectional view of a transistor and a schematic diagram illustrating a band diagram; ALD成膜原理を説明する図。The figure explaining the ALD film-forming principle. ALD装置概要図。Schematic diagram of an ALD apparatus. トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタの作製方法を説明する上面図および断面図。3A to 3C are top views and cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; トランジスタを説明する上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor; CAAC-OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC-OSの制限視野電子回折パターンを示す図。1A and 1B illustrate structural analysis by XRD of a CAAC-OS and a single-crystal oxide semiconductor, and a selected-area electron diffraction pattern of the CAAC-OS; CAAC-OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。A cross-sectional TEM image of CAAC-OS, a planar TEM image, and its image analysis image. nc-OSの電子回折パターンを示す図、およびnc-OSの断面TEM像。A diagram showing an electron diffraction pattern of an nc-OS and a cross-sectional TEM image of the nc-OS. a-like OSの断面TEM像。Cross-sectional TEM image of a-like OS. In-Ga-Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。FIG. 4 is a diagram showing changes in the crystal part of an In--Ga--Zn oxide due to electron irradiation. 半導体装置の断面図および回路図。1A and 1B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device; 半導体装置の断面図および回路図。1A and 1B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device; 撮像装置を示す平面図。The top view which shows an imaging device. 撮像装置の画素を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing pixels of an imaging device; 撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows an imaging device. 撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows an imaging device. 本発明の一態様の半導体装置を説明するための回路図およびタイミングチャート。1A and 1B are a circuit diagram and timing charts for explaining a semiconductor device of one embodiment of the present invention; 本発明の一態様の半導体装置を説明するためのグラフおよび回路図。3A and 3B are graphs and circuit diagrams for explaining a semiconductor device of one embodiment of the present invention; 本発明の一態様の半導体装置を説明するための回路図およびタイミングチャート。1A and 1B are a circuit diagram and timing charts for explaining a semiconductor device of one embodiment of the present invention; 本発明の一態様の半導体装置を説明するための回路図およびタイミングチャート。1A and 1B are a circuit diagram and timing charts for explaining a semiconductor device of one embodiment of the present invention; RFタグの構成例を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining a configuration example of an RF tag; CPUの構成例を説明する図。FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration example of a CPU; 記憶素子の回路図。A circuit diagram of a memory element. 表示装置の構成例を説明する図および画素の回路図。3A and 3B illustrate a configuration example of a display device and a circuit diagram of a pixel; 液晶表示装置の上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a liquid crystal display device; 表示装置の上面図および断面図。1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a display device; 表示モジュールを説明する図。The figure explaining a display module. リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表す斜視図およびモジュールの構成。FIG. 4 is a perspective view showing a cross-sectional structure of a package using a lead frame interposer and a configuration of a module; 電子機器を説明する図。1A and 1B are diagrams for explaining an electronic device; 電子機器を説明する図。1A and 1B are diagrams for explaining an electronic device; 電子機器を説明する図。1A and 1B are diagrams for explaining an electronic device; 電子機器を説明する図。1A and 1B are diagrams for explaining an electronic device; 測定サンプルの断面図。Sectional drawing of a measurement sample. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。Sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。Sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. イオン注入後の測定サンプルのシート抵抗測定結果。Sheet resistance measurement result of the measurement sample after ion implantation. 試料のXRDスペクトルの測定結果を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining measurement results of XRD spectra of samples; 試料のTEM像、および電子線回折パターンを説明する図。4A and 4B are TEM images of samples and diagrams for explaining electron beam diffraction patterns; FIG. 試料のEDXマッピングを説明する図。The figure explaining the EDX mapping of a sample.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定さ
れず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成
において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通
して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハ
ッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and those skilled in the art will readily understand that various changes can be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the descriptions of the embodiments shown below. In the configuration of the invention described below, the same reference numerals may be used for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated description thereof may be omitted. Note that hatching of the same elements constituting the drawings may be appropriately omitted or changed between different drawings.

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

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層
、など)であるとする。
Here, X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wiring, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能
とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であ
り、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量
素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに
、XとYとが、接続されている場合である。
An example of the case where X and Y are directly connected is an element (for example, switch, transistor, capacitive element, inductor, resistive element, diode, display element) that enables electrical connection between X and Y. element, light-emitting element, load, etc.) is not connected between X and Y, and an element that enables electrical connection between X and Y (e.g., switch, transistor, capacitive element, inductor , resistance element, diode, display element, light emitting element, load, etc.).

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能
とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイ
オード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが
可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイ
ッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか
流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択し
て切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、Xと
Yとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
An example of the case where X and Y are electrically connected is an element that enables electrical connection between X and Y (for example, switch, transistor, capacitive element, inductor, resistive element, diode, display elements, light emitting elements, loads, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of being controlled to be turned on and off. In other words, the switch has a function of controlling whether it is in a conducting state (on state) or a non-conducting state (off state) to allow current to flow. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

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

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYと
が電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで
接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの
間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている
場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)と
が、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示
的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合
と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, it means that X and Y are electrically connected (that is, if X and Y are electrically connected and when X and Y are functionally connected (that is, when X and Y are functionally connected with another circuit interposed between them) ) and the case where X and Y are directly connected (that is, the case where X and Y are connected without another element or another circuit between them). shall be disclosed in a document, etc. In other words, when it is explicitly stated that it is electrically connected, the same content as when it is explicitly stated that it is simply connected is disclosed in this specification, etc. It shall be

なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介
さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z
2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース
(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接
的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的
に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現
することが出来る。
Note that, for example, the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to X via (or not via) Z1, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is connected to Z
2 (or not), or the source (or first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1 and another part of Z1. One part is directly connected to X, the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to one part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. If so, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2
の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第
1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に
接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第
1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子な
ど)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トラ
ンジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている
」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子な
ど)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トラン
ジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など
)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様
な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トラン
ジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別
して、技術的範囲を決定することができる。
For example, "X and Y and source (or first terminal, etc.) and drain (or second
terminals, etc.) are electrically connected to each other in the following order: X, the source of the transistor (or the first terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), Y It is ” can be expressed. Or, "the source (or first terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y, and X is the source of the transistor ( or the first terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are electrically connected in this order. Or, "X is electrically connected to Y through the source (or first terminal, etc.) and drain (or second terminal, etc.) of the transistor, and X is the source (or first terminal, etc.) of the transistor; terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. Using the same expression method as these examples, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor can be distinguished by defining the order of connection in the circuit configuration. Alternatively, the technical scope can be determined.

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)
は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は
、第2の接続経路を有しておらず、上記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トラ
ンジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子な
ど)との間の経路であり、上記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジス
タのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気
的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有しておらず、上記第3の
接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジ
スタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介
して、Xと電気的に接続され、上記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、
上記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン
(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電
気的に接続され、上記第3の接続経路は、上記第2の接続経路を有していない。」と表現
することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なく
とも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、上記第1の電気
的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、上記第2の電気的パスは、トランジスタの
ソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への
電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3
の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、上記第3の電気的パスは
、第4の電気的パスを有しておらず、上記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン
(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パ
スである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成
における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子
など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定すること
ができる。
Alternatively, as another expression method, for example, "the source of the transistor (or the first terminal, etc.)
is electrically connected to X via at least a first connection path, the first connection path does not have a second connection path, and the second connection path includes a transistor a path between a source (or a first terminal, etc.) of a transistor and a drain (or a second terminal, etc.) of a transistor via Z1; The drain (or second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y via at least a third connection path, the third connection path having the second connection path. First, the third connection path is a path via Z2. ” can be expressed. or "the source (or first terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to X via Z1 by at least a first connection path, said first connection path being connected to a second connection path does not have
The second connection path has a connection path through a transistor, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y via Z2 by at least a third connection path. and the third connection path does not have the second connection path. ” can be expressed. or "the source (or first terminal, etc.) of a transistor is electrically connected to X, via Z1, by at least a first electrical path, said first electrical path being connected to a second having no electrical path, the second electrical path being an electrical path from the source of the transistor (or the first terminal, etc.) to the drain of the transistor (or the second terminal, etc.); The drain (or second terminal, etc.) of the transistor is connected to at least a third
is electrically connected to Y through Z2 by an electrical path of, the third electrical path does not have a fourth electrical path, and the fourth electrical path is An electrical path from the drain (or second terminal, etc.) of a transistor to the source (or first terminal, etc.) of a transistor. ” can be expressed. Using the same expression method as these examples, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor can be distinguished by defining the connection path in the circuit configuration. , can determine the technical scope.

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X
、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、
層、など)であるとする。
In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. where X
, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wiring, electrodes, terminals, conductive films,
layer, etc.).

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されてい
る場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もあ
る。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び
電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電
気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場
合も、その範疇に含める。
Even if the circuit diagram shows independent components electrically connected to each other, if one component has the functions of multiple components There is also For example, when a part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the function of the wiring and the function of the electrode. Therefore, the term "electrically connected" in this specification includes cases where one conductive film functions as a plurality of constituent elements.

<図面を説明する記載に関する付記> <Supplementary remarks regarding the description explaining the drawings>

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

また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接し
ていることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、
絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間
に他の構成要素を含むものを除外しない。
In addition, the terms "upper" and "lower" do not limit the positional relationship of the components to being directly above or directly below and in direct contact with each other. For example, for the expression "electrode B on insulating layer A",
It is not necessary for the electrode B to be formed directly on the insulating layer A, and other components between the insulating layer A and the electrode B are not excluded.

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が-10°以上10°以下の角度で配置さ
れている状態をいう。したがって、-5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平
行」とは、二つの直線が-30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
As used herein, the term “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10° or more and 10° or less. Therefore, the case of −5° or more and 5° or less is also included. Also, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30° or more and 30° or less. "Perpendicular" means that two straight lines are arranged at an angle of 80° or more and 100° or less. Therefore, the case of 85° or more and 95° or less is also included. In addition, "substantially perpendicular" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60° or more and 120° or less.

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

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。
In the drawings, sizes, layer thicknesses, and regions are shown as arbitrary sizes for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. Note that the drawings are shown schematically for clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.

また、図面において、上面図(平面図、レイアウト図ともいう)や斜視図などにおいて、
図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
In addition, in the drawings, in the top view (also called a plan view or layout view) or a perspective view,
Some components may be omitted for clarity of the drawings.

また、「同一」とは、同一の面積を有してよいし、同一の形状を有してもよい。また、製
造工程の関係上、完全に同一の形状とならないことも想定されるので、略同一であっても
同一であると言い換えることができる。
Moreover, "the same" may have the same area or may have the same shape. In addition, it is assumed that the shape may not be exactly the same due to the manufacturing process, so even if the shape is substantially the same, it can be rephrased as the same.

<言い換え可能な記載に関する付記> <Supplementary notes on rephrasable descriptions>

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 the connection relationship of a transistor, one of a source and a drain is referred to as “one of the source or the drain” (or the first electrode or the first terminal). The other is described as "the other of source or drain" (or second electrode or second terminal). This is because the source and drain of a transistor change depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of a transistor can be appropriately changed to a source (drain) terminal, a source (drain) electrode, or the like, depending on the situation.

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。
In addition, the terms “electrode” and “wiring” in this specification and the like do not functionally limit these constituent elements. For example, "electrode" may be used as part of "wiring",
The opposite is also true. Furthermore, the terms "electrode" and "wiring" include the case where a plurality of "electrodes" and "wiring" are integrally formed.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む
少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン
領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャ
ネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことがで
きるものである。
In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It has a channel region between the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode) and the source (source terminal, source region, or source electrode), and current flows through the drain, the channel region, and the source. is possible.

ここで、ソースとドレインとは、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
、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。そこで、ソースと
して機能する部分、及びドレインとして機能する部分を、ソース又はドレインと呼ばず、
ソースとドレインとの一方を第1電極と表記し、ソースとドレインとの他方を第2電極と
表記する場合がある。
Here, since the source and the drain change depending on the structure of the transistor, operating conditions, or the like, it is difficult to define which is the source or the drain. Therefore, a portion functioning as a source and a portion functioning as a drain are not called a source or a drain,
One of the source and the drain may be referred to as the first electrode, and the other of the source and the drain may be referred to as the second electrode.

なお本明細書にて用いる「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り、数的に限定するものではないことを付記する。
It should be noted that the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” used in this specification are added to avoid confusion of constituent elements, and are not numerically limited. do.

また、本明細書等では、表示パネルの基板に、例えばFPC(Flexible Pri
nted Circuits)もしくはTCP(Tape Carrier Packa
ge)などが取り付けられたもの、または基板にCOG(Chip On Glass)
方式によりIC(集積回路)が直接実装されものを、表示装置と呼ぶ場合がある。
In addition, in this specification and the like, the substrate of the display panel is, for example, an FPC (Flexible Prix
circuit) or TCP (Tape Carrier Packa
ge), etc., or COG (Chip On Glass) on the substrate
A device in which an IC (integrated circuit) is directly mounted depending on the method is sometimes called a display device.

また、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、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。
In addition, the terms "film" and "layer" can be interchanged depending on the case or situation. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive film." Or, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer".

<語句の定義に関する付記>
以下では、本明細書等における語句の定義について説明する。
<Supplementary notes on definitions of terms>
Definitions of terms used in this specification and the like will be described below.

本明細書において、「トレンチ」、または「溝」という用語を用いた場合、細い帯状の凹
みをいう。
In this specification, when the term "trench" or "groove" is used, it means a thin band-shaped depression.

<接続について> <About connection>

本明細書において、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, "A and B are connected" includes not only direct connection between A and B, but also electrical connection. Here, "A and B are electrically connected" means that when there is an object having some kind of electrical action between A and B, an electric signal can be exchanged between A and B. What to say.

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)、および/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。
It should be noted that the content (may be part of the content) described in one embodiment may be another content (may be part of the content) described in that embodiment, and/or one or more The contents described in another embodiment (or part of the contents) can be applied, combined, or replaced.

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。
In addition, the content described in the embodiment means the content described using various drawings or the content described using sentences 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)、および/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。
It should be noted that the figure (or part of it) described in one embodiment may be another part of the figure,
By combining with other figures (may be part of) described in the embodiment and/or figures (may be part) described in one or more other embodiments, more Figures can be constructed.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置と、その製造方法について図面を用いて
説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.

<トランジスタ10の構造>
図1(A)、図1(B)、図1(C)は、本発明の一態様のトランジスタ10の上面図お
よび断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は図1(A)に示す一点鎖線
A1-A2間、図1(C)は図1(A)に示すA3-A4間の断面図である。なお、図1
(A)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している
。また、一点鎖線A1-A2方向をチャネル長方向、一点鎖線A3-A4方向をチャネル
幅方向と呼称する場合がある。
<Structure of Transistor 10>
1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of a transistor 10 of one embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view, FIG. 1B is a cross section between the dashed-dotted line A1 and A2 shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross section between A3 and A4 shown in FIG. It is a diagram. In addition, Fig. 1
In (A), some elements are enlarged, reduced, or omitted for clarity of illustration. Also, the direction of the dashed line A1-A2 may be called the channel length direction, and the direction of the dashed line A3-A4 may be called the channel width direction.

トランジスタ10は、基板100と、絶縁層110と、金属酸化物層121、酸化物半導
体層122、金属酸化物層123と、低抵抗領域125と、ゲート絶縁層150と、ゲー
ト電極層160と、絶縁層180と、導電層190と、導電層195と、を有する。
The transistor 10 includes a substrate 100, an insulating layer 110, a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, a metal oxide layer 123, a low resistance region 125, a gate insulating layer 150, a gate electrode layer 160, It has an insulating layer 180 , a conductive layer 190 , and a conductive layer 195 .

絶縁層110は、基板100上に設けられる。 An insulating layer 110 is provided on the substrate 100 .

金属酸化物層121は、絶縁層110上に設けられる。 A metal oxide layer 121 is provided on the insulating layer 110 .

酸化物半導体層122は、金属酸化物層121上に設けられる。また、酸化物半導体層1
22は、低抵抗領域125を有する。低抵抗領域は、水素、窒素、ヘリウム、ネオン、ア
ルゴン、クリプトン、キセノン、ボロン、リン、タングステン、アルミニウムのいずれか
一以上を有する。低抵抗領域125は、ソース、あるいはドレインとしての機能を有する
The oxide semiconductor layer 122 is provided over the metal oxide layer 121 . Moreover, the oxide semiconductor layer 1
22 has a low resistance region 125 . The low-resistance region contains at least one of hydrogen, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, boron, phosphorus, tungsten, and aluminum. The low resistance region 125 functions as a source or drain.

金属酸化物層123は、酸化物半導体層122上に設けられる。 The metal oxide layer 123 is provided over the oxide semiconductor layer 122 .

ゲート絶縁層150は、金属酸化物層123上に設けられる。 A gate insulating layer 150 is provided on the metal oxide layer 123 .

ゲート電極層160は、ゲート絶縁層150上に設けられる。なお、ゲート電極層160
と、ゲート絶縁層150と、金属酸化物層123と、酸化物半導体層122は、重畳して
設けられる。
A gate electrode layer 160 is provided on the gate insulating layer 150 . Note that the gate electrode layer 160
, the gate insulating layer 150, the metal oxide layer 123, and the oxide semiconductor layer 122 overlap with each other.

絶縁層180は、絶縁層110上に設けられる。 An insulating layer 180 is provided on the insulating layer 110 .

導電層190は、低抵抗領域125上に設けられる。導電層190と低抵抗領域125は
、電気的に接続する領域を有する。
A conductive layer 190 is provided on the low resistance region 125 . The conductive layer 190 and the low resistance region 125 have regions that are electrically connected.

導電層195は、導電層190上に設けられる。 A conductive layer 195 is provided over the conductive layer 190 .

低抵抗領域125は、ゲート電極層下にも一部設けることができる。ゲート電極層160
に重なるチャネル領域を第1領域、ゲート電極層160に重なる領域であって一部イオン
が拡散した低抵抗領域125を第2領域、ゲート電極層160が重ならない低抵抗領域を
第3領域とすると、第2領域は、第1領域に比して抵抗の低い領域を有し、第3領域は、
第2領域に比して抵抗の低い領域を有するということができる。抵抗は、抵抗値測定(例
えばシート抵抗測定)することで得られ、不純物濃度により制御することができる。また
、第3領域において、上記に示した元素の濃度が1×1018atoms/cm以上1
×1022atoms/cm以下である領域を有する。
The low-resistance region 125 can also be partly provided under the gate electrode layer. Gate electrode layer 160
, the low resistance region 125 overlapping the gate electrode layer 160 and partly diffused with ions is the second region, and the low resistance region not overlapping the gate electrode layer 160 is the third region. , the second region has a region with a lower resistance than the first region, and the third region is
It can be said to have a region with a lower resistance than the second region. The resistance is obtained by measuring the resistance value (for example, sheet resistance measurement) and can be controlled by the impurity concentration. Further, in the third region, the concentration of the above element is 1×10 18 atoms/cm 3 or more.
It has a region of ×10 22 atoms/cm 3 or less.

<金属酸化物層について>
なお、金属酸化物層(例えば金属酸化物層121、金属酸化物層123)とは、基本的に
絶縁性を有し、ゲート電界又はドレイン電界が強くなった場合に半導体との界面近傍にお
いて電流が流れることのできる層をいう。
<Regarding the metal oxide layer>
Note that the metal oxide layer (for example, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123) basically has an insulating property, and when the gate electric field or the drain electric field becomes strong, current flows near the interface with the semiconductor. A layer in which liquid can flow.

上記構造とすることで、ゲート―ソース間、またはゲート―ドレイン間の寄生容量を小さ
くすることができる。その結果、トランジスタ10の遮断周波数特性が向上するなど、ト
ランジスタの高速動作が可能となる。
With the above structure, the parasitic capacitance between the gate and the source or between the gate and the drain can be reduced. As a result, the transistor 10 can operate at high speed, for example, the cutoff frequency characteristic of the transistor 10 is improved.

また、トランジスタ10は、セルフアラインでゲート、ソース、ドレインを形成すること
ができるため、位置合わせの難易度が低下する。これにより、微細なトランジスタを容易
に作製することが可能となる。
In addition, since the gate, source, and drain of the transistor 10 can be formed by self-alignment, alignment difficulty is reduced. Accordingly, a fine transistor can be easily manufactured.

トランジスタ10は、図1(C)A3-A4断面図に示すように、チャネル幅方向におい
て、ゲート電極層160はゲート絶縁層150を介して、金属酸化物層121、酸化物半
導体層122、金属酸化物層123の側面と対向する領域を有する。即ち、ゲート電極層
160に電圧が印加されると、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物
層123は、チャネル幅方向においてゲート電極層160の電界で囲まれる。ゲート電極
層の電界で半導体が囲まれるトランジスタの構造を、surrounded chann
el(s-channel)構造とよぶ。
As shown in the A3-A4 cross-sectional view of FIG. 1C, the transistor 10 has a gate electrode layer 160, a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and a metal oxide layer 121 with a gate insulating layer 150 interposed therebetween in the channel width direction. It has a region facing the side surface of the oxide layer 123 . That is, when a voltage is applied to the gate electrode layer 160, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are surrounded by the electric field of the gate electrode layer 160 in the channel width direction. The structure of a transistor in which the semiconductor is surrounded by the electric field of the gate electrode layer is called a surrounded channel
It is called an el (s-channel) structure.

ここで、金属酸化物層121と、酸化物半導体層122と、金属酸化物層123を合わせ
て酸化物とした場合、トランジスタ10において、オン状態では当該酸化物全体(バルク
)にチャネルが形成されるため、オン電流が増大する。一方、オフ状態の場合、ワイドバ
ンドギャップの酸化物半導体層122に形成されるチャネル領域が電位障壁となるため、
オフ電流をさらに小さくすることができる。
Here, when the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are combined to form an oxide, a channel is formed in the entire oxide (bulk) in the transistor 10 in an on state. Therefore, the on current increases. On the other hand, in the off state, the channel region formed in the wide bandgap oxide semiconductor layer 122 acts as a potential barrier.
The off current can be further reduced.

<チャネル長について>
なお、トランジスタにおけるチャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、
半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲー
ト電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域
またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう
。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限ら
ない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そ
のため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一
の値、最大値、最小値または平均値とする。
<About channel length>
Note that the channel length of a transistor means, for example, in a top view of a transistor,
The source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that the channel length does not always have the same value in all regions of one transistor. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.

<チャネル幅について>
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の長さをいう。なお、一つのトランジス
タにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトラ
ンジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、
チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値ま
たは平均値とする。
<About channel width>
The channel width refers to, for example, the length of the region where the semiconductor (or the portion of the semiconductor through which current flows when the transistor is on) and the gate electrode overlap. Note that the channel width does not always have the same value in all regions of one transistor. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this document:
The channel width is any one value, maximum value, minimum value or average value in the area where the channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネ
ル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に
形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示
される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の
方が大きくなる。
Depending on the structure of the transistor, the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter referred to as the effective channel width) and the channel width shown in the top view of the transistor (hereinafter referred to as the apparent channel width ) and may be different. for example,
In a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width may become larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the effect thereof may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate an effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from design values, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width if the shape of the semiconductor is not accurately known.

<SCWについて>
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる
領域における見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surroun
ded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単に
チャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す
場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャ
ネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ
上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を
解析することなどによって、値を決定することができる。
<About SCW>
Therefore, in this specification, in a top view of a transistor, an apparent channel width in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap is referred to as a "surrounding channel width (SCW)."
ded Channel Width)”. In addition, in this specification, simply referring to the channel width may refer to the enclosing channel width or the apparent channel width. Alternatively, in this specification, simply referring to the channel width may refer to the effective channel width. The channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosing channel width, etc. can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. can.

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求め
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
Note that when the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated, they are sometimes calculated using the enclosed channel width. In that case, it may take a different value than when calculating using the effective channel width.

<微細化における特性向上>
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタ
の微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮
小するとオン電流が低下する。
<Characteristics improvement in miniaturization>
Miniaturization of transistors is essential for high integration of semiconductor devices. On the other hand, it is known that miniaturization of transistors deteriorates the electrical characteristics of the transistors, and when the channel width is reduced, the on current decreases.

例えば、図1に示す本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように、チャネルが形
成される酸化物半導体層122を覆うように金属酸化物層123が形成されており、チャ
ネル形成領域とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成領域
とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオ
ン電流を大きくすることができる。
For example, in the transistor of one embodiment of the present invention illustrated in FIGS. It has a configuration in which the insulating layer does not contact. Therefore, carrier scattering at the interface between the channel formation region and the gate insulating layer can be suppressed, and the on-state current of the transistor can be increased.

また、本発明の一態様のトランジスタでは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャ
ネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物
半導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電
界が印加される。すなわち、酸化物半導体層122の全体にゲート電界が印加されること
となり、電流は酸化物半導体層122全体に流れるようになるため、さらにオン電流を高
められる。
Further, in the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel in the channel width direction; A lateral gate electric field is applied in addition to the vertical gate electric field. That is, a gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer 122, and current flows through the entire oxide semiconductor layer 122, so that the on current can be further increased.

また、本発明の一態様のトランジスタは、金属酸化物層123を金属酸化物層121、酸
化物半導体層122上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物半導
体層122を金属酸化物層121と金属酸化物層123の中間に位置する層とすることで
上下からの不純物混入を抑制することができる。そのため、上述したトランジスタのオン
電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、S値(サブスレッショルド値)を小さく
することができる。したがって、Icut(ゲート電圧VGが0V時の電流)を下げるこ
とができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安
定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。
Further, in the transistor of one embodiment of the present invention, formation of the metal oxide layer 123 over the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 makes it difficult to form an interface state, and the oxide semiconductor layer 122 is positioned between the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, the entry of impurities from above and below can be suppressed. Therefore, it is possible to stabilize the threshold voltage and reduce the S value (sub-threshold value) in addition to the above-described improvement in the ON current of the transistor. Therefore, Icut (current when gate voltage VG is 0 V) can be lowered, and power consumption can be reduced. Further, since the threshold voltage of the transistor is stabilized, long-term reliability of the semiconductor device can be improved.

また、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122のチャネ
ル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極層160が形成されているため、酸化物半
導体層122に対しては垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界
が印加される。すなわち、酸化物半導体層122の全体にゲート電界が印加されることと
なり、ドレイン電界の影響を抑えることができ、ショートチャネル効果を大幅に抑制する
ことができる。したがって、微細化した場合においても、良好な特性を得ることができる
In the transistor of one embodiment of the present invention, the gate electrode layer 160 is formed so as to electrically surround the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel in the channel width direction; A lateral gate electric field is applied in addition to the vertical gate electric field. That is, the gate electric field is applied to the entire oxide semiconductor layer 122, the influence of the drain electric field can be suppressed, and the short channel effect can be greatly suppressed. Therefore, even when miniaturized, good characteristics can be obtained.

また、本発明の一態様のトランジスタは、チャネルとなる酸化物半導体層122にワイド
バンドギャップの材料を有することにより、ソースードレイン耐圧特性が高く、また様々
な温度環境において安定した電気特性を有することができる。
In addition, the transistor of one embodiment of the present invention has high source-drain breakdown voltage characteristics and stable electric characteristics in various temperature environments because the oxide semiconductor layer 122 serving as a channel includes a wide bandgap material. be able to.

なお、本実施の形態において、チャネルなどにおいて、酸化物半導体層などを用いた場合
の例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。例えば、チャネル
やその近傍、ソース領域、ドレイン領域などを、場合によっては、または、状況に応じて
、シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、
ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体
、などを有する材料で形成してもよい。
Note that although an example in which an oxide semiconductor layer or the like is used in a channel or the like is described in this embodiment, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, the channel and its vicinity, the source region, the drain region, etc. may be treated with silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide,
It may be formed of materials including gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, organic semiconductors, and the like.

<トランジスタの各構成>
以下に本実施の形態のトランジスタの各構成について示す。
<Each configuration of the transistor>
Each structure of the transistor of this embodiment is described below.

《基板100》
基板100には、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板など
を用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結
晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板、SOI(Silico
n On Insulator)基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に
半導体素子が設けられたものを用いてもよい。基板100は、単なる支持材料に限らず、
他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジ
スタのゲート、ソース、ドレインのいずれか一以上は、上記の他のデバイスと電気的に接
続されていてもよい。
<<Substrate 100>>
For the substrate 100, for example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. Further, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, SOI (Silicon
(N On Insulator) substrates and the like can also be used, and those having semiconductor elements provided on these substrates may also be used. Substrate 100 is not limited to a mere support material,
It may be a substrate on which devices such as other transistors are formed. In this case, one or more of the gate, source, and drain of the transistor may be electrically connected to the other device.

また、基板100として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジス
タを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタ
を剥離し、可撓性基板である基板100に転置する方法もある。その場合には、非可撓性
基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板100として、繊維を編
みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板100が伸縮性を有
してもよい。また、基板100は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性
質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板100の厚さ
は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さら
に好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板100を薄くすると、半導体装置
を軽量化することができる。また、基板100を薄くすることで、ガラスなどを用いた場
合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を
有する場合がある。そのため、落下などによって基板100上の半導体装置に加わる衝撃
などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate 100 . Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is also a method in which a transistor is manufactured over a non-flexible substrate, separated, and transferred to the substrate 100 which is a flexible substrate. In that case, a peeling layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that as the substrate 100, a sheet, a film, a foil, or the like in which fibers are woven may be used. Also, the substrate 100 may have stretchability. Further, the substrate 100 may have the property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have the property of not returning to its original shape. The thickness of the substrate 100 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, more preferably 15 μm to 300 μm. By thinning the substrate 100, the weight of the semiconductor device can be reduced. In addition, by making the substrate 100 thin, even when glass or the like is used, the substrate 100 may have stretchability, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact or the like applied to the semiconductor device on the substrate 100 due to dropping or the like can be mitigated. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可撓性基板である基板100としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、また
はそれらの繊維などを用いることができる。可撓性基板である基板100は、線膨張率が
低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板100としては、
例えば、線膨張率が1×10-3/K以下、5×10-5/K以下、または1×10-5
/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフ
ィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリ
ル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率
が低いため、可撓性基板である基板100として好適である。
As the substrate 100 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fibers thereof can be used. The substrate 100, which is a flexible substrate, preferably has a lower coefficient of linear expansion because deformation due to the environment is suppressed. As the substrate 100, which is a flexible substrate,
For example, the coefficient of linear expansion is 1×10 −3 /K or less, 5×10 −5 /K or less, or 1×10 −5
/K or less may be used. Examples of resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. In particular, aramid is suitable for the substrate 100, which is a flexible substrate, because it has a low coefficient of linear expansion.

《絶縁層110》
絶縁層110は、シリコン(Si)、窒素(N)、酸素(O)、フッ素(F)、水素(H
)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(
Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf
)およびタンタル(Ta)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。
<<insulating layer 110>>
The insulating layer 110 includes silicon (Si), nitrogen (N), oxygen (O), fluorine (F), hydrogen (H
), aluminum (Al), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (
Y), zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd), hafnium (Hf
) and tantalum (Ta).

絶縁層110は、基板100からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半
導体層122(金属酸化物層121、金属酸化物層123)に酸素を供給する役割を担う
ことができる。したがって、絶縁層110は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化
学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、TDS法に
て、酸素原子に換算しての酸素放出量が1.0×1019atoms/cm以上である
膜とする。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500℃以下の範囲が好ましい。また、上述のように基板10
0が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁層110は、層間絶縁膜としての機
能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP(Chemical Mech
anical Polishing)法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
The insulating layer 110 has a role of preventing impurities from diffusing from the substrate 100, and can also have a role of supplying oxygen to the oxide semiconductor layer 122 (the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123). Therefore, the insulating layer 110 is preferably an insulating film containing oxygen, more preferably an insulating film containing more oxygen than the stoichiometric composition. For example, a film having an oxygen release amount of 1.0×10 19 atoms/cm 3 or more in terms of oxygen atoms by the TDS method is used. The surface temperature of the film during the TDS analysis was 100° C. or more and 700° C.
or less, or a range of 100° C. or higher and 500° C. or lower. Also, as described above, the substrate 10
If 0 is a substrate on which other devices are formed, the insulating layer 110 also functions as an interlayer insulating film. In that case, CMP (Chemical Mech
It is preferable to perform a planarization treatment by an anal polishing method or the like.

また、絶縁層110において、フッ素を有することにより、当該絶縁層中からガス化した
フッ素が酸化物半導体層122の酸素欠損を安定化させることができる。
Further, when fluorine is contained in the insulating layer 110 , fluorine gasified from the insulating layer can stabilize oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 .

《金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123》
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123は、In若しくはZn
を含む酸化物半導体膜であり、代表的には、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物、In
-Mg酸化物、Zn-Mg酸化物、In-M-Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、
Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)がある。
<<Metal Oxide Layer 121, Oxide Semiconductor Layer 122, Metal Oxide Layer 123>>
The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are made of In or Zn.
is an oxide semiconductor film containing In—Ga oxide, In—Zn oxide, In
-Mg oxide, Zn-Mg oxide, In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y,
Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd).

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123として用いることので
きる酸化物は、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を含むことが好まし
い。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体層を用いた
トランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含む
ことが好ましい。
An oxide that can be used for the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). Alternatively, it preferably contains both In and Zn. In addition, a stabilizer is preferably included together with the oxide semiconductor layer in order to reduce variations in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor layer.

スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、アル
ミニウム(Al)、またはジルコニウム(Zr)等がある。また、他のスタビライザーと
しては、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(P
r)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(
Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウ
ム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等がある
Stabilizers include gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), aluminum (Al), or zirconium (Zr). Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (P
r), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (
Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), and the like.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123中のインジウムやガリ
ウムなどの含有量は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)や、X線電
子分光法(XPS)、ICP質量分析(ICP-MS)で比較できる。
The contents of indium, gallium, and the like in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 can be determined by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) or X-ray electron spectroscopy ( XPS) and ICP mass spectrometry (ICP-MS).

酸化物半導体層122は、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上
、より好ましくは3eV以上であるため、トランジスタ10のオフ電流を低減することが
できる。
Since the oxide semiconductor layer 122 has an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more, the off-state current of the transistor 10 can be reduced.

酸化物半導体層122の厚さは、3nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上10
0nm以下、さらに好ましくは3nm以上50nm以下とする。
The thickness of the oxide semiconductor layer 122 is 3 nm or more and 200 nm or less, preferably 3 nm or more and 10 nm or less.
0 nm or less, more preferably 3 nm or more and 50 nm or less.

なお、酸化物半導体層122の厚さは、少なくとも金属酸化物層121と比較して、薄く
形成してもよいし、同じとしてもよいし、厚く形成してもよい。たとえば、酸化物半導体
層122を厚くした場合、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、金属酸
化物層121は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程
度の厚さであればよい。例えば、酸化物半導体層122の厚さは、金属酸化物層121の
厚さに対して、1倍よりも大きく、または2倍以上、または4倍以上、または6倍以上と
することができる。また、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合には、金属酸
化物層121の厚さを酸化物半導体層122の厚さ以上としてもよい。例えば、絶縁層1
10、あるいは絶縁層180に酸素を添加した場合、加熱処理により、酸化物半導体層1
22に含まれる酸素欠損量を低減することができ、半導体装置の電気特性を安定させるこ
とができる。
Note that the thickness of the oxide semiconductor layer 122 may be thinner, the same, or thicker than at least the metal oxide layer 121 . For example, when the oxide semiconductor layer 122 is thickened, on-state current of the transistor can be increased. In addition, the metal oxide layer 121 may have a thickness such that the effect of suppressing the generation of interface states in the oxide semiconductor layer 122 is not lost. For example, the thickness of the oxide semiconductor layer 122 can be more than 1 time, 2 times or more, 4 times or more, or 6 times or more the thickness of the metal oxide layer 121 . Further, in the case where it is not necessary to increase the on-state current of the transistor, the thickness of the metal oxide layer 121 may be greater than or equal to the thickness of the oxide semiconductor layer 122 . For example, insulating layer 1
10, or when oxygen is added to the insulating layer 180, the oxide semiconductor layer 1
22 can be reduced, and the electrical characteristics of the semiconductor device can be stabilized.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123、それぞれの組
成が異なる場合、界面は、走査型透過電子顕微鏡STEM(Scanning Tran
smission Electron Microscope)を用いて観察することが
できる場合がある。
When the compositions of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are different, the interface is observed by a scanning transmission electron microscope (STEM).
can be observed using a mission Electron Microscope).

また、酸化物半導体層122は、金属酸化物層121、金属酸化物層123よりもインジ
ウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体層では主として重金属のs軌道がキャリア
伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることにより、より多くのs軌道が重なるた
め、InがMよりも多い組成となる酸化物はInがMと同等または少ない組成となる酸化
物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層122にインジウムの含有量
が多い酸化物を用いることで、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。
Further, the oxide semiconductor layer 122 preferably contains more indium than the metal oxide layers 121 and 123 . In the oxide semiconductor layer, s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction. The mobility is higher than that of oxides in which In is equal to or less than M. Therefore, by using an oxide containing a large amount of indium for the oxide semiconductor layer 122, a transistor with high field-effect mobility can be realized.

また、酸化物半導体層122がIn-M-Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn
、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、スパッタリング法で酸化物半導
体層122を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M
:Zn=x2:y2:z2とすると、x2/(x2+y2+z2)は、1/3以上とする
ことが好ましい。酸化物半導体層122が有する金属原子数比も同様の組成を有する。ま
た、x2/y2は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z2/y2は、
1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。これにより、酸化物半
導体層122としてCAAC-OS(C Axis Aligned Crystall
ine Oxide Semiconductor)膜が形成されやすくなる。ターゲッ
トの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Z
n=1:1:1.2、2:1:1.5、2:1:2.3、2:1:3、3:1:2、4:
2:3、4:2:4.1等がある。
Further, the oxide semiconductor layer 122 is an In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn
, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the atomic ratio of the metal elements in the target used for forming the oxide semiconductor layer 122 by a sputtering method is In:M
:Zn=x2:y2:z2, x2/(x2+y2+z2) is preferably 1/3 or more. The metal atomic ratio of the oxide semiconductor layer 122 also has the same composition. Further, x2/y2 is 1/3 or more and 6 or less, further 1 or more and 6 or less, and z2/y2 is
It is preferably ⅓ or more and 6 or less, more preferably 1 or more and 6 or less. As a result, CAAC-OS (C Axis Aligned Crystal) is used as the oxide semiconductor layer 122.
(Ine Oxide Semiconductor) film is easily formed. Typical examples of atomic number ratios of metal elements in the target are In:M:Zn=1:1:1, In:M:Z
n=1:1:1.2, 2:1:1.5, 2:1:2.3, 2:1:3, 3:1:2, 4:
2:3, 4:2:4.1, and so on.

金属酸化物層121、金属酸化物層123として、Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、
La、Ce、Mg、HfまたはNdを、Inより高い原子数比で有することで、以下の効
果を有する場合がある。(1)金属酸化物層121、金属酸化物層123のエネルギーギ
ャップを大きくする。(2)金属酸化物層121、金属酸化物層123の電子親和力を小
さくする。(3)外部からの不純物を遮蔽する。(4)酸化物半導体層122と比較して
、絶縁性が高くなる。(5)Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、H
f、またはNdは、酸素との結合力が強い金属元素であるため、Al、Ti、Ga、Y、
Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、またはNdをInより高い原子数比で有すること
で、酸素欠損が生じにくくなる。
Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn,
Having La, Ce, Mg, Hf, or Nd at a higher atomic ratio than In may have the following effects. (1) Increase the energy gap between the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 . (2) Reduce the electron affinity of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 . (3) Shield impurities from the outside. (4) The insulating property is higher than that of the oxide semiconductor layer 122 . (5) Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, H
Since f or Nd is a metal element having a strong bonding force with oxygen, Al, Ti, Ga, Y,
By having Zr, Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd at a higher atomic ratio than In, oxygen vacancies are less likely to occur.

また、金属酸化物層121、および金属酸化物層123は、酸化物半導体層122を構成
する元素の一種以上から構成される酸化物である。このため、酸化物半導体層122と金
属酸化物層121、および金属酸化物層123との界面において、界面散乱が起こりにく
い。従って、該界面においてはキャリアの動きが阻害されないため、トランジスタ10の
電界効果移動度が高くなる。
The metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are oxides containing one or more elements that form the oxide semiconductor layer 122 . Therefore, interfacial scattering is less likely to occur at the interfaces between the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layers 121 and 123 . Therefore, since the movement of carriers is not hindered at the interface, the field effect mobility of the transistor 10 is increased.

金属酸化物層121、金属酸化物層123は、代表的には、In-Ga酸化物、In-Z
n酸化物、In-Mg酸化物、Ga-Zn酸化物、Zn-Mg酸化物、In-M-Zn酸
化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)
であり、且つ酸化物半導体層122よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く
、代表的には、金属酸化物層121、金属酸化物層123の伝導帯下端のエネルギー準位
と、酸化物半導体層122の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.05eV以上、
0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下、1eV以
下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。即ち、金属酸化物層121、金属酸
化物層123の電子親和力と、酸化物半導体層122との電子親和力との差が、0.05
eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.2eV以上、且つ2eV以下
、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下である。なお、電子親和力は、真
空準位と伝導帯下端のエネルギー準位との差を示す。
The metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are typically made of In—Ga oxide, In—Z
n-oxide, In--Mg oxide, Ga--Zn oxide, Zn--Mg oxide, In--M--Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd)
and the energy level of the bottom of the conduction band is closer to the vacuum level than the oxide semiconductor layer 122, typically the energy level of the bottom of the conduction band of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123. , the difference from the energy level at the bottom of the conduction band of the oxide semiconductor layer 122 is 0.05 eV or more,
0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.2 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. That is, the difference between the electron affinities of the metal oxide layers 121 and 123 and the electron affinity of the oxide semiconductor layer 122 is 0.05.
eV or more, 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.2 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. Note that the electron affinity indicates the difference between the vacuum level and the energy level at the bottom of the conduction band.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123がIn-M-Zn酸化物(MはAl、T
i、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、スパッタリ
ング法で成膜した酸化物半導体層122と比較して、金属酸化物層121、金属酸化物層
123に含まれるM(Al、Ti、Ga、Y、Zr、Sn、La、Ce、Mg、Hf、ま
たはNd)の原子数比が高く、前述のMで表した元素はインジウムよりも酸素と強く結合
するため、酸素欠損が金属酸化物層121、金属酸化物層123に生じることを抑制する
機能を有する。即ち、金属酸化物層121、金属酸化物層123は酸化物半導体層122
よりも酸素欠損が生じにくい酸化物半導体膜である。金属酸化物層121、金属酸化物層
123が有する金属原子数比も同様の組成を有する。
In addition, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are In-M-Zn oxide (M is Al, T
i, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer The atomic ratio of M (Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Mg, Hf, or Nd) contained in 123 is high, and the element represented by M is stronger than oxygen than indium. Since it bonds, it has a function of suppressing the occurrence of oxygen vacancies in the metal oxide layers 121 and 123 . That is, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are the oxide semiconductor layer 122
Oxygen vacancies are less likely to occur in the oxide semiconductor film. The metal atomic ratios of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 also have the same composition.

また、金属酸化物層121がIn-M-Zn酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Sn、
Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、金属酸化物層121を成膜するた
めに用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z
1とすると、x1/y1<z1/y1であって、z1/y1は、1/10以上6以下、さ
らには0.2以上3以下であることが好ましい。
Further, the metal oxide layer 121 is an In-M-Zn oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Sn,
Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the atomic ratio of the metal elements in the target used for forming the metal oxide layer 121 is In:M:Zn=x1:y1:z
When 1, x1/y1<z1/y1, and z1/y1 is preferably 1/10 or more and 6 or less, more preferably 0.2 or more and 3 or less.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123は、酸化物半導体層122と比較して絶
縁性が高いため、ゲート絶縁層と同様の機能を有することができる。
Further, since the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 have higher insulating properties than the oxide semiconductor layer 122, they can have a function similar to that of the gate insulating layer.

また、金属酸化物層123は、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸
化ハフニウム、酸化シリコン、酸化ゲルマニウム、または酸化ジルコニアに置き換えるこ
ともできるし、金属酸化物層123上に当該金属酸化物を有することもできる。
Also, the metal oxide layer 123 can be replaced with a metal oxide such as aluminum oxide, gallium oxide, hafnium oxide, silicon oxide, germanium oxide, or zirconia oxide, and the metal oxide layer 123 can be replaced with the metal oxide layer 123 . can also have

また、金属酸化物層123は、酸化物半導体層122の界面準位の生成を抑制する効果が
失われない程度の厚さであればよい。例えば、金属酸化物層121と同等またはそれ以下
の厚さとすればよい。金属酸化物層123が厚いと、ゲート電極層160による電界が酸
化物半導体層122に届きにくくなる恐れがあるため、金属酸化物層123は薄く形成す
ることが好ましい。例えば、金属酸化物層123は酸化物半導体層122の厚さよりも薄
くすればよい。なお、これに限られず、金属酸化物層123の厚さはゲート絶縁層150
の耐圧を考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。
In addition, the metal oxide layer 123 may have a thickness such that the effect of suppressing the generation of interface states in the oxide semiconductor layer 122 is not lost. For example, the thickness may be equal to or less than that of the metal oxide layer 121 . If the metal oxide layer 123 is thick, the electric field generated by the gate electrode layer 160 might not easily reach the oxide semiconductor layer 122; therefore, the metal oxide layer 123 is preferably formed thin. For example, the metal oxide layer 123 may be thinner than the oxide semiconductor layer 122 . Note that the thickness of the metal oxide layer 123 is not limited to this, and the thickness of the gate insulating layer 150
It may be appropriately set according to the voltage for driving the transistor in consideration of the withstand voltage of the transistor.

例えば、金属酸化物層123の厚さは、1nm以上20nm以下、または3nm以上10
nm以下とすることが好ましい。
For example, the thickness of the metal oxide layer 123 is 1 nm or more and 20 nm or less, or 3 nm or more and 10 nm or less.
nm or less is preferable.

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123がIn-M-Zn酸化物(MはAl、T
i、Ga、Y、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Hf、またはNd)の場合、金属酸化物
層121、金属酸化物層123を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の
原子数比をIn:M:Zn=x3:y3:z3とすると、x3/y3<x2/y2であっ
て、z3/y3は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。な
お、z3/y3を1以上6以下とすることで、金属酸化物層121、金属酸化物層123
としてCAAC-OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表
例としては、In:M:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:3:8、1:
4:4、1:4:5、1:4:6、1:4:7、1:4:8、1:5:5、1:5:6、
1:5:7、1:5:8、1:6:8、1:6:4、1:9:6等がある。なお、原子数
比はこれらに限られず、必要とする半導体特性に応じて適切な原子数比のものを用いれば
よい。
In addition, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are In-M-Zn oxide (M is Al, T
i, Ga, Y, Sn, Zr, La, Ce, Mg, Hf, or Nd), the number of atoms of the metal element in the target used for forming the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is When the ratio is In:M:Zn=x3:y3:z3, x3/y3<x2/y2, and z3/y3 is preferably 1/3 or more and 6 or less, more preferably 1 or more and 6 or less. . Note that by setting z3/y3 to be 1 or more and 6 or less, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123
As a result, the CAAC-OS film is easily formed. Typical examples of the atomic number ratios of the metal elements in the target are In:M:Zn=1:3:2, 1:3:4, 1:3:6, 1:3:8, 1:
4:4, 1:4:5, 1:4:6, 1:4:7, 1:4:8, 1:5:5, 1:5:6,
1:5:7, 1:5:8, 1:6:8, 1:6:4, 1:9:6 and the like. Note that the atomic ratio is not limited to these, and an appropriate atomic ratio may be used according to the required semiconductor characteristics.

また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123の原子数比はそ
れぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含むことがある。
Further, the atomic ratios of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may each include a variation of plus or minus 40% in the above atomic ratio as an error.

例えば、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する場合、成膜するために用
いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1を用いて
成膜すると、酸化物半導体膜の金属元素の原子数比はIn:Ga:Zn=1:1:0.6
程度となり、亜鉛の原子数比が同一あるいは低下する場合がある。したがって、原子数比
を記載した場合には、該原子数比の近傍を包含する。
For example, in the case of forming an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122, a target used for the deposition has an atomic ratio of metal elements of In:Ga:Zn=1:1:1. The atomic ratio of the metal elements in the oxide semiconductor film is In:Ga:Zn=1:1:0.6.
and the atomic number ratio of zinc may be the same or lower. Therefore, when an atomic number ratio is described, the vicinity of the atomic number ratio is included.

<水素濃度について>
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123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と共に、酸素が脱離した格子(または酸
素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア
である電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合
することで、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が含まれている酸
化物半導体層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。
<About hydrogen concentration>
Hydrogen contained in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, and the lattice from which oxygen is released (or the hydrogen from which oxygen is released). separated part) to form oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons, which are carriers, are generated in some cases. In addition, part of hydrogen may be combined with oxygen that is combined with a metal atom to generate an electron that is a carrier. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor layer containing hydrogen is likely to have normally-on characteristics.

このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそ
れぞれの界面において、酸素欠損と共に、水素ができる限り低減されていることが好まし
い。例えば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、および
それぞれの界面において二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion
Mass Spectrometry)により得られる水素濃度は、1×1016at
oms/cm以上2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016at
oms/cm以上5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016
atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1
16atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下とすることが望まし
い。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電気特性(ノーマリー
オフ特性ともいう。)を有することができる。
Therefore, it is preferable that oxygen vacancies and hydrogen be reduced as much as possible in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the interface between them. For example, secondary ion mass spectrometry (SIMS) is performed on the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces.
The hydrogen concentration obtained by mass spectrometry is 1×10 16 at
oms/cm 3 or more and 2×10 20 atoms/cm 3 or less, preferably 1×10 16 at
oms/cm 3 or more and 5×10 19 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 16
atoms/cm 3 or more and 1×10 19 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×1
It is desirable to be 0 16 atoms/cm 3 or more and 5×10 18 atoms/cm 3 or less. As a result, the transistor 10 can have electrical characteristics with a positive threshold voltage (also referred to as normally-off characteristics).

<炭素、シリコン濃度について>
また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞ
れの界面において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物
層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123において酸素欠損が増加し
、n型領域が形成されてしまう。このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層122
、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面におけるシリコン、および炭素濃度は、低
減することが望ましい。例えば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化
物層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られるシリコンや炭素の濃
度は、1×1016atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下、好ま
しくは1×1016atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下、さら
に好ましくは1×1016atoms/cm以上2×1018atoms/cm以下
とすることが望ましい。この結果、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電
気特性を有する。
<Concentration of carbon and silicon>
In addition, when silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, is contained in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces, the metal oxide layer 121 is oxidized. Oxygen vacancies increase in the semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123, and an n-type region is formed. Therefore, the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122
, the metal oxide layer 123, and the silicon and carbon concentrations at their respective interfaces are desirably reduced. For example, the concentration of silicon or carbon obtained by SIMS in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the interface between them is 1×10 16 atoms/cm 3 or more and 1×10 19 atoms/cm 3 or more. /cm 3 or less, preferably 1×10 16 atoms/cm 3 or more and 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 16 atoms/cm 3 or more and 2×10 18 atoms/cm 3 or less. is desirable. As a result, the transistor 10 has electrical characteristics such that the threshold voltage is positive.

<アルカリ金属およびアルカリ土類金属の濃度について>
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生
成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、金
属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれの界面
における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。たとえ
ば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞれ
の界面において、二次イオン質量分析法により得られる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2×1016atom
s/cm以下とすることが望ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧
がプラスとなる電気特性を有することができる。
<Concentration of Alkali Metals and Alkaline Earth Metals>
Further, when an alkali metal and an alkaline earth metal are bonded to an oxide semiconductor, carriers might be generated, which might increase the off-state current of the transistor. Therefore, it is preferable to reduce the concentrations of alkali metals or alkaline earth metals in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces. For example, in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal obtained by secondary ion mass spectrometry is 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 16 atoms
s/cm 3 or less is desirable. Thus, the transistor 10 can have electrical characteristics with a positive threshold voltage.

<窒素濃度について>
また、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびそれぞ
れの界面に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、
n型領域が形成されてしまう。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体層を用いたト
ランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、金属酸化物層121、酸化物半
導体層122、金属酸化物層123およびそれぞれの界面において、窒素はできる限り低
減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金
属酸化物層123、およびそれぞれの界面においてSIMSにより得られる窒素濃度は、
1×1015atoms/cm以上5×1019atoms/cm以下、好ましくは
1×1015atoms/cm以上5×1018atoms/cm以下、より好まし
くは1×1015atoms/cm以上1×1018atoms/cm以下、さらに
好ましくは1×1015atoms/cm以上5×1017atoms/cm以下に
することが好ましい。これにより、トランジスタ10は、しきい値電圧がプラスとなる電
気特性を有することができる。
<About nitrogen concentration>
Further, when nitrogen is contained in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the interface between them, electrons as carriers are generated, the carrier density increases,
An n-type region is formed. As a result, a transistor including an oxide semiconductor layer containing nitrogen tends to have normally-on characteristics. Therefore, nitrogen is preferably reduced as much as possible in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and their interfaces. For example, the nitrogen concentration obtained by SIMS in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the respective interfaces is
1×10 15 atoms/cm 3 or more and 5×10 19 atoms/cm 3 or less, preferably 1×10 15 atoms/cm 3 or more and 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 15 atoms/cm It is preferably 3 or more and 1×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 15 atoms/cm 3 or more and 5×10 17 atoms/cm 3 or less. This allows the transistor 10 to have electrical characteristics such that the threshold voltage is positive.

ただし、酸化物半導体層122中に余剰の亜鉛を有する場合には、この限りではない。余
剰の亜鉛は、酸化物半導体層122中に酸素欠損を形成する恐れがある。そのため、余剰
亜鉛を有する場合には、酸化物半導体層122中に0.001乃至3atomic%の窒
素を有することにより、余剰亜鉛に起因した酸素欠損を不活化することができる場合があ
る。したがって、当該窒素によりトランジスタの特性バラつきが解消され、信頼性を向上
させることができる。
However, this is not the case when the oxide semiconductor layer 122 contains excess zinc. Excess zinc might form oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 . Therefore, when the oxide semiconductor layer 122 contains excess zinc, oxygen vacancies caused by the excess zinc can be inactivated by including 0.001 to 3 atomic % of nitrogen in some cases. Therefore, the nitrogen eliminates the variation in characteristics of the transistor, so that the reliability can be improved.

<キャリア密度について>
金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123の不純物を低減
することで、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123の
キャリア密度を低減することができる。このため、金属酸化物層121、酸化物半導体層
122、および金属酸化物層123は、キャリア密度が1×1015個/cm以下、好
ましくは1×1013個/cm以下、さらに好ましくは8×1011個/cm未満、
より好ましくは1×1011個/cm未満、最も好ましくは1×1010個/cm
満であり、1×10-9個/cm以上とする。
<Regarding carrier density>
By reducing impurities in the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, the carrier densities of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are reduced. be able to. Therefore, each of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 has a carrier density of 1×10 15 /cm 3 or less, preferably 1×10 13 /cm 3 or less, more preferably 1×10 13 /cm 3 or less. is less than 8×10 11 pieces/cm 3 ,
More preferably less than 1×10 11 pieces/cm 3 , most preferably less than 1×10 10 pieces/cm 3 , and 1×10 −9 pieces/cm 3 or more.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123として、不純物
濃度が低く、欠陥準位密度の低い酸化物半導体層を用いることで、さらに優れた電気特性
を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位
密度の低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。高
純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体層は、キャリア発生源が少ないた
め、キャリア密度を低くすることができる場合がある。従って、当該酸化物半導体層にチ
ャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がプラスとなる電気特性になりや
すい。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体層は、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。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層を用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、
ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、
オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10-13A以
下という特性を得ることができる。従って、当該酸化物半導体層にチャネル領域が形成さ
れるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる場合が
ある。
By using oxide semiconductor layers with a low impurity concentration and a low defect level density as the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, a transistor with even better electrical characteristics is manufactured. can do. Here, a low impurity concentration and a low defect level density (few oxygen vacancies) are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer has few carrier generation sources; thus, carrier density can be reduced in some cases. Therefore, a transistor whose channel region is formed in the oxide semiconductor layer tends to have electrical characteristics such that the threshold voltage is positive. Further, since a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer has a low defect level density, the trap level density may also be low. In addition, a transistor including a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor layer has significantly low off-state current.
When the voltage between the source electrode and the drain electrode (drain voltage) is in the range of 1 V to 10 V,
It is possible to obtain characteristics that the off current is below the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, below 1×10 −13 A. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor layer may be a highly reliable transistor with small variations in electrical characteristics.

また、上述のように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジ
スタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を0.1V、5
V、または、10V程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流
を数yA/μm乃至数zA/μmにまで低減することが可能となる。
Further, the off-state current of the transistor including the highly purified oxide semiconductor layer for the channel formation region as described above is extremely low. For example, the voltage between the source and drain is 0.1V, 5
V or about 10 V, the off current normalized by the channel width of the transistor can be reduced to several yA/μm to several zA/μm.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば非単
結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、後述するCAAC-OS、多結晶構造、微
結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位
密度が高く、CAAC-OSは最も欠陥準位密度が低い。
The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have non-single-crystal structures, for example. Non-single-crystalline structures include, for example, CAAC-OS, polycrystalline structures, microcrystalline structures, or amorphous structures, which are described below. Among non-single-crystal structures, the amorphous structure has the highest defect level density, and the CAAC-OS has the lowest defect level density.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば微結
晶構造でもよい。微結晶構造の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属
酸化物層123は、例えば、1nm以上10nm未満のサイズの微結晶を膜中に含む。ま
たは、微結晶構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、非晶質相に1nm以上1
0nm未満の結晶部を有する混相構造である。
The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have microcrystalline structures, for example. The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 having a microcrystalline structure contain microcrystals with a size of 1 nm or more and less than 10 nm, for example. Alternatively, an oxide film and an oxide semiconductor film with a microcrystalline structure are, for example, 1 nm or more in an amorphous phase.
It has a mixed phase structure with a crystal part of less than 0 nm.

金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例えば非晶
質構造でもよい。非晶質構造の、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金
属酸化物層123は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、
非晶質構造の酸化物膜および酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶
部を有さない。
The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may be amorphous structures, for example. The metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 with an amorphous structure have, for example, disordered atomic arrangement and no crystalline component. or,
An oxide film and an oxide semiconductor film with an amorphous structure, for example, have a completely amorphous structure and do not have a crystal part.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123が、CA
AC-OS、微結晶構造、および非晶質構造の二以上の構造の領域を有する混合膜であっ
てもよい。混合膜として、例えば、非晶質構造の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC
-OSの領域と、を有する単層構造がある。または、混合膜として、例えば、非晶質構造
の領域と、微結晶構造の領域と、CAAC-OSの領域と、の積層構造がある。
Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 are CA
It may be a mixed film having two or more structural regions of AC-OS, microcrystalline structure, and amorphous structure. As a mixed film, for example, an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and CAAC
-OS regions. Alternatively, as a mixed film, for example, there is a laminated structure of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, and a CAAC-OS region.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、および金属酸化物層123は、例え
ば、単結晶構造を有してもよい。
Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 may have single crystal structures, for example.

酸化物半導体層122と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物膜を酸化物半導体層122
の上下に接して設けることで、酸化物半導体層122における酸素欠損を低減することが
できる。また、酸化物半導体層122は、酸化物半導体層122を構成する金属元素の一
以上を有する金属酸化物層121、金属酸化物層123と接するため、金属酸化物層12
1と酸化物半導体層122との界面、酸化物半導体層122と金属酸化物層123との界
面における界面準位密度が極めて低い。例えば、金属酸化物層121、金属酸化物層12
3、ゲート絶縁層150、絶縁層110、絶縁層180に酸素を添加した後、加熱処理を
行うことで該酸素が金属酸化物層121および金属酸化物層123を経由して酸化物半導
体層122へ酸素が移動するが、このときに界面準位において酸素が捕獲されにくく、効
率よく金属酸化物層121または金属酸化物層123に含まれる酸素を酸化物半導体層1
22へ移動させることが可能である。この結果、酸化物半導体層122に含まれる酸素欠
損を低減することが可能である。また、金属酸化物層121または金属酸化物層123に
も酸素が添加されるため、金属酸化物層121、金属酸化物層123の酸素欠損を低減す
ることが可能である。即ち、少なくとも酸化物半導体層122の局在準位密度を低減する
ことができる。
An oxide film in which oxygen vacancies are less likely to occur than the oxide semiconductor layer 122 is used as the oxide semiconductor layer 122 .
, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. In addition, since the oxide semiconductor layer 122 is in contact with the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 each including one or more metal elements included in the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 12
1 and the oxide semiconductor layer 122 and the interface state density at the interface between the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 are extremely low. For example, metal oxide layer 121, metal oxide layer 12
3. After oxygen is added to the gate insulating layer 150 , the insulating layer 110 , and the insulating layer 180 , heat treatment is performed so that the oxygen passes through the metal oxide layers 121 and 123 to the oxide semiconductor layer 122 . At this time, oxygen is less likely to be trapped in the interface state, and oxygen contained in the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 is efficiently transferred to the oxide semiconductor layer 1 .
22 can be moved. As a result, oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. Further, since oxygen is added to the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123, oxygen vacancies in the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 can be reduced. That is, at least the localized level density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced.

また、酸化物半導体層122が、構成元素の異なる絶縁膜(例えば、酸化シリコン膜を含
むゲート絶縁層)と接する場合、界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成する
ことがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第2のトランジスタが出現し、トラ
ンジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物半導体
層122を構成する金属元素を一種以上含む金属酸化物層121および金属酸化物層12
3が酸化物半導体層122と接するため、金属酸化物層121と酸化物半導体層122の
界面、および金属酸化物層123と酸化物半導体層122の界面に界面準位を形成しにく
くなる。
Further, when the oxide semiconductor layer 122 is in contact with an insulating film having different constituent elements (eg, a gate insulating layer containing a silicon oxide film), an interface level is formed, and the interface level forms a channel in some cases. . In such a case, a second transistor with a different threshold voltage appears, and the apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. However, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 12 containing one or more metal elements constituting the oxide semiconductor layer 122
3 is in contact with the oxide semiconductor layer 122 , interface states are less likely to form at the interface between the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122 and at the interface between the metal oxide layer 123 and the oxide semiconductor layer 122 .

また、金属酸化物層121、金属酸化物層123は、それぞれ絶縁層110、ゲート絶縁
層150の構成元素が酸化物半導体層122へ混入して、不純物による準位が形成される
ことを抑制するためのバリア膜としても機能する。
In addition, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 suppress formation of a level due to impurities due to entry of constituent elements of the insulating layer 110 and the gate insulating layer 150 into the oxide semiconductor layer 122, respectively. It also functions as a barrier film for

例えば、絶縁層110、またはゲート絶縁層150として、シリコンを含む絶縁膜を用い
る場合、ゲート絶縁層150中のシリコン、または絶縁層110と、ゲート絶縁層150
中に混入されうる炭素が、金属酸化物層121または金属酸化物層123の中へ界面から
数nm程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122
中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生成することでn型化
することがある。
For example, when an insulating film containing silicon is used as the insulating layer 110 or the gate insulating layer 150, silicon in the gate insulating layer 150 or the insulating layer 110 and the gate insulating layer 150
Carbon that can be mixed therein may be mixed into the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 up to several nm from the interface. Impurities such as silicon and carbon are present in the oxide semiconductor layer 122 .
When it enters inside, an impurity level is formed, and the impurity level serves as a donor to generate electrons, which may make it n-type.

しかしながら、金属酸化物層121、金属酸化物層123の膜厚が、数nmよりも厚けれ
ば、混入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物半導体層122にまで到達しないため、
不純物準位の影響は低減される。
However, if the thickness of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 is more than several nanometers, the mixed impurities such as silicon and carbon do not reach the oxide semiconductor layer 122.
The influence of impurity levels is reduced.

よって、金属酸化物層121、金属酸化物層123を設けることにより、トランジスタの
しきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
Therefore, by providing the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, variations in electrical characteristics such as the threshold voltage of the transistor can be reduced.

また、ゲート絶縁層150と酸化物半導体層122が接して、その界面にチャネルが形成
される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。し
かしながら、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以上含む金属酸化物層12
1、金属酸化物層123が酸化物半導体層122に接して設けられるため、酸化物半導体
層122と金属酸化物層121、金属酸化物層123との界面ではキャリアの散乱が起こ
りにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
Further, when the gate insulating layer 150 and the oxide semiconductor layer 122 are in contact with each other and a channel is formed at the interface, interface scattering occurs at the interface and the field-effect mobility of the transistor decreases. However, the metal oxide layer 12 containing one or more metal elements constituting the oxide semiconductor layer 122
1. Since the metal oxide layer 123 is provided in contact with the oxide semiconductor layer 122, carriers are less likely to scatter at the interface between the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layers 121 and 123, which reduces the performance of the transistor. Field effect mobility can be increased.

本実施の形態においては、酸化物半導体層122の酸素欠損量、さらには酸化物半導体層
122に接する金属酸化物層121、金属酸化物層123の酸素欠損量を低減することが
可能であり、酸化物半導体層122の局在準位密度を低減することができる。この結果、
本実施の形態に示すトランジスタ10は、しきい値電圧の変動が少なく、信頼性が高い特
性を有することができる。また、本実施の形態に示すトランジスタ10は優れた電気特性
を有する。
In this embodiment, the amount of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122 and the amount of oxygen vacancies in the metal oxide layers 121 and 123 in contact with the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. The localized level density of the oxide semiconductor layer 122 can be reduced. As a result,
The transistor 10 described in this embodiment can have a small change in threshold voltage and high reliability. Further, the transistor 10 described in this embodiment has excellent electrical characteristics.

なお、トランジスタのゲート絶縁層としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるた
め、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジ
スタのようにゲート絶縁層と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート
絶縁層と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱
が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも
、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁層から離すことが好ましいといえる
Note that since an insulating film containing silicon is often used as a gate insulating layer of a transistor, a region serving as a channel of the oxide semiconductor layer is in contact with the gate insulating layer as in the transistor of one embodiment of the present invention for the above reason. It can be said that a structure that does not Further, in the case where a channel is formed at the interface between the gate insulating layer and the oxide semiconductor layer, carrier scattering may occur at the interface, and the field-effect mobility of the transistor may be low. From this point of view as well, it is preferable to separate the region of the oxide semiconductor layer, which serves as a channel, from the gate insulating layer.

したがって、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123の積層構
造とすることで、酸化物半導体層122にチャネルを形成することができ、高い電界効果
移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。
Therefore, with the stacked structure of the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, a channel can be formed in the oxide semiconductor layer 122, and high field-effect mobility and stable electricity can be obtained. A transistor with characteristics can be formed.

なお、酸化物半導体層は必ずしも3層にする必要はなく、単層、2層、4層、さらには5
層以上の構成としてもよい。単層とする場合、本実施の形態に示す、酸化物半導体層12
2に相当する層を用いればよい。
Note that the number of oxide semiconductor layers is not necessarily three, and may be a single layer, two layers, four layers, or five layers.
It is good also as a structure more than a layer. In the case of a single layer, the oxide semiconductor layer 12 described in this embodiment is used.
A layer corresponding to 2 may be used.

<バンド図>
ここで、図2(A)、図2(B)を用いて本発明の一態様のトランジスタのバンド図につ
いて説明する。図2(B)に示すバンド図は、理解を容易にするため絶縁層110、金属
酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123、およびゲート絶縁層15
0について、伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)および価電子帯上端のエネルギー準位
(Ev)を示している。
<Band diagram>
Here, band diagrams of transistors of one embodiment of the present invention are described with reference to FIGS. The band diagram in FIG. 2B includes the insulating layer 110, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 123, and the gate insulating layer 15 for easy understanding.
For 0, the energy level (Ec) at the bottom of the conduction band and the energy level (Ev) at the top of the valence band are shown.

図2(B)に示すように、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層1
23において、伝導帯下端のエネルギー準位が連続的に変化する。これは、金属酸化物層
121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123を構成する元素が共通することによ
り、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、金属酸化物層121、
酸化物半導体層122、金属酸化物層123は組成が異なる膜の積層体ではあるが、物性
的に連続であるということもできる。
As shown in FIG. 2B, a metal oxide layer 121, an oxide semiconductor layer 122, and a metal oxide layer 1
At 23, the energy level of the conduction band bottom changes continuously. This is also understood from the fact that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 have the same elements, so that oxygen easily diffuses into each other. Therefore, the metal oxide layer 121,
Although the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 are stacks of films with different compositions, they can be said to be continuous in terms of physical properties.

主成分を共通として積層された酸化物半導体膜は、各層を単に積層するのではなく連続接
合(ここでは特に伝導帯下端のエネルギー準位が各層の間で連続的に変化するU字型の井
戸(U Shape Well)構造)が形成されるように作製する。すなわち、各層の
界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しない
ように積層構造を形成する。仮に、積層された多層膜の層間に不純物が混在していると、
エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消
滅してしまう。
Oxide semiconductor films stacked with a common main component are not simply stacked layers, but a continuous junction (in particular, a U-shaped well in which the energy level at the bottom of the conduction band changes continuously between layers). (U Shape Well) structure) is formed. That is, the laminated structure is formed so that impurities that form defect levels such as trap centers and recombination centers do not exist at the interfaces of each layer. If impurities are mixed between the layers of the laminated multilayer film,
Continuity of the energy band is lost, and carriers disappear at the interface due to trapping or recombination.

なお、金属酸化物層121と、金属酸化物層123のEcは、同様である場合について図
2(B)に示したが、それぞれが異なっていてもよい。
Note that FIG. 2B shows the case where Ec of the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are the same, but they may be different.

図2(B)より、酸化物半導体層122がウェル(井戸)となり、トランジスタ10にお
いて、チャネルが酸化物半導体層122に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体
層122を底として伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化するU字型の井戸構造のチャ
ネルを埋め込みチャネルということもできる。
FIG. 2B shows that the oxide semiconductor layer 122 serves as a well and a channel is formed in the oxide semiconductor layer 122 in the transistor 10 . Note that a channel having a U-shaped well structure in which the energy at the bottom of the conduction band changes continuously with the oxide semiconductor layer 122 as the bottom can also be referred to as a buried channel.

なお、金属酸化物層121および金属酸化物層123と、酸化シリコン膜などの絶縁膜と
の界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。金属酸化物層1
23があることにより、酸化物半導体層122と当該トラップ準位とを遠ざけることがで
きる。ただし、金属酸化物層121、または金属酸化物層123のEcと、酸化物半導体
層122のEcとのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層122の電子が該エネル
ギー差を越えてトラップ準位に達することがある。マイナスの電荷となる電子がトラップ
準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしき
い値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。さらに、トランジスタの長期保存試験におい
て、トラップが固定化されず、特性への変動を起こす懸念がある。
Note that trap levels due to impurities and defects may be formed in the vicinity of interfaces between the metal oxide layers 121 and 123 and an insulating film such as a silicon oxide film. metal oxide layer 1
23 can keep the oxide semiconductor layer 122 away from the trap level. However, when the energy difference between Ec of the metal oxide layer 121 or the metal oxide layer 123 and Ec of the oxide semiconductor layer 122 is small, electrons in the oxide semiconductor layer 122 exceed the energy difference to reach the trap level. can reach When electrons that become negative charges are trapped in the trap level, negative fixed charges are generated at the interface of the insulating film, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Furthermore, in long-term storage tests of transistors, there is a concern that the traps may not be fixed, causing variations in characteristics.

したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、金属酸化物層121、
および金属酸化物層123のEcと、酸化物半導体層122との間にエネルギー差を設け
ることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、0.1eV以上が好ましく、0.
2eV以上がより好ましい。
Therefore, to reduce the threshold voltage variation of the transistor, the metal oxide layer 121,
Also, it is necessary to provide an energy difference between Ec of the metal oxide layer 123 and the oxide semiconductor layer 122 . The respective energy differences are preferably 0.1 eV or more, and 0.1 eV or more.
2 eV or more is more preferable.

なお、金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123には、結晶部が
含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定し
た電気特性を付与することができる。
Note that the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 preferably contain crystal parts. In particular, by using crystals oriented along the c-axis, a transistor can have stable electrical characteristics.

また、図2(B)に示すようなバンド図において、金属酸化物層123を設けず、酸化物
半導体層122とゲート絶縁層150の間にIn-Ga酸化物(たとえば、原子数比がI
n:Ga=7:93のIn-Ga酸化物)を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなど
を設けてもよい。また、金属酸化物層123が有した状態で金属酸化物層123とゲート
絶縁層150の間にIn-Ga酸化物を設けてもよいし、あるいは酸化ガリウムなどを設
けてもよい。
Further, in the band diagram as shown in FIG. 2B, the metal oxide layer 123 is not provided, and an In—Ga oxide (for example, the atomic ratio is I) is interposed between the oxide semiconductor layer 122 and the gate insulating layer 150 .
In—Ga oxide (n:Ga=7:93) may be provided, or gallium oxide or the like may be provided. Alternatively, an In—Ga oxide may be provided between the metal oxide layer 123 and the gate insulating layer 150 while the metal oxide layer 123 is provided, or gallium oxide or the like may be provided.

酸化物半導体層122は、金属酸化物層121、および金属酸化物層123よりも電子親
和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体層122として、金属酸化物層12
1および金属酸化物層123よりも電子親和力が0.07eV以上1.3eV以下、好ま
しくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.2eV以上0.4eV以下
大きい酸化物を用いることができる。
For the oxide semiconductor layer 122, an oxide having higher electron affinity than the metal oxide layers 121 and 123 is used. For example, as the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 12
1 and the metal oxide layer 123 by 0.07 eV to 1.3 eV, preferably 0.1 eV to 0.7 eV, more preferably 0.2 eV to 0.4 eV. can.

本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物半導体層122を構成する金属元素を一種以
上含んでいる、金属酸化物層121、金属酸化物層123を有しているため、金属酸化物
層121と酸化物半導体層122との界面、および金属酸化物層123と酸化物半導体層
122との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって、金属酸化物層121、金属酸化
物層123を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつき
や変動を低減することができる。
Since the transistor described in this embodiment includes the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 which contain one or more metal elements for forming the oxide semiconductor layer 122, the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123 are included. It becomes difficult to form an interface state at the interface with the oxide semiconductor layer 122 and at the interface between the metal oxide layer 123 and the oxide semiconductor layer 122 . Therefore, by providing the metal oxide layer 121 and the metal oxide layer 123, variations and fluctuations in electrical characteristics such as the threshold voltage of the transistor can be reduced.

《ゲート絶縁層150》
ゲート絶縁層150には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al
)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge
)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)
、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。
例えば、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン
(SiO)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN
、窒化シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO
)、酸化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(La
)、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(
TaO)を一種以上有することができる。また、ゲート絶縁層150は上記材料の積層
であってもよい。なお、ゲート絶縁層150に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム
(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。
<<Gate insulating layer 150>>
Oxygen (O), nitrogen (N), fluorine (F), aluminum (Al
), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge
), yttrium (Y), zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd)
, hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like.
For example, aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon oxynitride (SiN x O y )
, silicon nitride (SiN x ), gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x
), yttrium oxide (YO x ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (La
O x ), neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ) and tantalum oxide (
TaO x ). Alternatively, the gate insulating layer 150 may be a stack of the above materials. Note that the gate insulating layer 150 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as impurities.

また、ゲート絶縁層150の積層構造の一例について説明する。ゲート絶縁層150は、
例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム
、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。
In addition, an example of the stacked structure of the gate insulating layer 150 will be described. The gate insulating layer 150 is
For example, it has oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, and the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.

酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがっ
て、酸化シリコンを用いた場合と比べて、ゲート絶縁層150の膜厚を大きくできるため
、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいト
ランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶
質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の
小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好
ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明
の一態様は、これらに限定されない。
Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide and silicon oxynitride. Therefore, the film thickness of the gate insulating layer 150 can be increased as compared with the case where silicon oxide is used, so that leak current due to tunnel current can be reduced. That is, a transistor with low off-state current can be realized. Furthermore, hafnium oxide with a crystalline structure has a higher dielectric constant than hafnium oxide with an amorphous structure. Therefore, hafnium oxide having a crystalline structure is preferably used for a transistor with low off-state current. Examples of crystal structures include monoclinic and cubic systems. However, one embodiment of the present invention is not limited to these.

ところで、結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面は、欠陥に起因した界面準位を有
する場合がある。該界面準位はトラップセンターとして機能する場合がある。そのため、
酸化ハフニウムがトランジスタのチャネル領域に近接して配置されるとき、該界面準位に
よってトランジスタの電気特性が劣化する場合がある。そこで、該界面準位の影響を低減
するために、トランジスタのチャネル領域と酸化ハフニウムとの間に、別の膜を配置する
ことによって互いに離間させることが好ましい場合がある。この膜は、緩衝機能を有する
。緩衝機能を有する膜は、ゲート絶縁層150に含まれる膜であってもよいし、酸化物半
導体膜に含まれる膜であってもよい。即ち、緩衝機能を有する膜としては、酸化シリコン
、酸化窒化シリコン、酸化物半導体層などを用いることができる。なお、緩衝機能を有す
る膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもエネルギーギャップの大きい半導
体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を有する膜には、たとえば、チャネル領域と
なる半導体よりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を用いる。または、緩衝機能を
有する膜には、たとえば、チャネル領域となる半導体よりもイオン化エネルギーの大きい
半導体または絶縁体を用いる。
By the way, a surface on which hafnium oxide having a crystal structure is formed may have an interface state caused by defects. The interface states may function as trap centers. for that reason,
When hafnium oxide is placed close to the channel region of a transistor, the interface states can degrade the electrical characteristics of the transistor. Therefore, in order to reduce the effect of the interface state, it may be preferable to separate the hafnium oxide from the channel region of the transistor by placing another film therebetween. This membrane has a buffer function. The film having a buffer function may be a film included in the gate insulating layer 150 or a film included in the oxide semiconductor film. That is, silicon oxide, silicon oxynitride, an oxide semiconductor layer, or the like can be used as the film having a buffer function. For the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator with a larger energy gap than the semiconductor serving as the channel region is used. Alternatively, for the film having a buffering function, for example, a semiconductor or an insulator whose electron affinity is lower than that of the semiconductor used as the channel region is used. Alternatively, for the film having a buffer function, for example, a semiconductor or an insulator with ionization energy higher than that of the semiconductor used as the channel region is used.

一方、上述した結晶構造を有する酸化ハフニウムの被形成面における界面準位(トラップ
センター)に電荷をトラップさせることで、トランジスタのしきい値電圧を制御できる場
合がある。該電荷を安定して存在させるためには、たとえば、チャネル領域と酸化ハフニ
ウムとの間に、酸化ハフニウムよりもエネルギーギャップの大きい絶縁体を配置すればよ
い。または、酸化ハフニウムよりも電子親和力の小さい半導体または絶縁体を配置すれば
よい。または、緩衝機能を有する膜には、酸化ハフニウムよりもイオン化エネルギーの大
きい半導体または絶縁体を配置すればよい。このような絶縁体を用いることで、界面準位
にトラップされた電荷の放出が起こりにくくなり、長期間に渡って電荷を保持することが
できる。
On the other hand, in some cases, the threshold voltage of a transistor can be controlled by trapping charges in an interface state (trap center) on a formation surface of hafnium oxide having the crystal structure described above. In order for the charges to exist stably, for example, an insulator having a larger energy gap than hafnium oxide may be placed between the channel region and hafnium oxide. Alternatively, a semiconductor or insulator having an electron affinity lower than that of hafnium oxide may be provided. Alternatively, a semiconductor or an insulator with higher ionization energy than hafnium oxide may be provided for the film having a buffer function. By using such an insulator, the charge trapped in the interface level is less likely to be released, and the charge can be retained for a long period of time.

そのような絶縁体として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンが挙げられる。ゲー
ト絶縁層150内の界面準位に電荷を捕獲させるためには、酸化物半導体膜からゲート電
極層160に向かって電子を移動させればよい。具体的な例としては、高い温度(例えば
、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電
極層160の電位をソース電極層130やドレイン電極層140の電位より高い状態にて
1秒以上、代表的には1分以上維持すればよい。
Examples of such insulators include silicon oxide and silicon oxynitride. Electrons may be transferred from the oxide semiconductor film to the gate electrode layer 160 in order to trap charges in the interface states in the gate insulating layer 150 . As a specific example, the potential of the gate electrode layer 160 is set at a high temperature (eg, 125° C. to 450° C., typically 150° C. to 300° C.), and the potential of the source electrode layer 130 and the drain electrode layer 140 is increased. is maintained for 1 second or more, typically 1 minute or more.

このようにゲート絶縁層150などの界面準位に所望の量の電子を捕獲させたトランジス
タは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極層160の電圧や、電圧を印加
する時間を調整することによって、電子を捕獲させる量(しきい値電圧の変動量)を制御
することができる。なお、電荷を捕獲させることができれば、ゲート絶縁層150内でな
くても構わない。同様の構造を有する積層膜を、他の絶縁層に用いても構わない。
In a transistor in which a desired amount of electrons are trapped in the interface level of the gate insulating layer 150 or the like, the threshold voltage shifts to the positive side. By adjusting the voltage of the gate electrode layer 160 and the voltage application time, the amount of trapped electrons (the amount of change in the threshold voltage) can be controlled. Note that it does not have to be in the gate insulating layer 150 as long as the charge can be captured. A laminated film having a similar structure may be used for other insulating layers.

例えば、トランジスタ10の下側に導電層を設けた場合、絶縁層110はゲート絶縁層1
50と同様の構造、および機能を有することができる。
For example, when a conductive layer is provided under the transistor 10, the insulating layer 110 is the gate insulating layer 1
It can have a similar structure and function as 50.

《ゲート電極層160》
ゲート電極層160には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(C
r)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコ
ニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(T
a)、タングステン(W)、またはシリコン(Si)などの材料を有することができる。
また、当該ゲート電極層160は、積層とすることができる。例えば、上記材料を単独、
または組み合わせて用いてもよいし、上記材料の窒化物など、窒素を含んだ材料を組み合
わせて用いてもよい。
<<Gate electrode layer 160>>
The gate electrode layer 160 includes, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (C
r), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (T
a), Tungsten (W), or Silicon (Si).
Further, the gate electrode layer 160 can be stacked. For example, the above materials alone,
Alternatively, they may be used in combination, or materials containing nitrogen such as nitrides of the above materials may be used in combination.

《絶縁層180》
絶縁層180には、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO
、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコ
ン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イッ
トリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化
ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)、
酸化アルミニウム(AlO)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁
層180は上記材料の積層であってもよい。当該絶縁層は、化学量論組成よりも多くの酸
素を有することが好ましい。絶縁層180から放出される酸素はゲート絶縁層150を経
由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チ
ャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定
したトランジスタの電気特性を得ることができる。
<<insulating layer 180>>
The insulating layer 180 includes, for example, magnesium oxide (MgO x ) and silicon oxide (SiO x ).
, silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon oxynitride (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ) , yttrium oxide (YO x ), oxide zirconium ( ZrOx ), lanthanum oxide ( LaOx ), neodymium oxide ( NdOx ), hafnium oxide ( HfOx ) and tantalum oxide ( TaOx ),
An insulating film containing one or more types of aluminum oxide (AlO x ) can be used. Also, the insulating layer 180 may be a laminate of the above materials. Preferably, the insulating layer has more oxygen than the stoichiometric composition. Oxygen released from the insulating layer 180 can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150; therefore, oxygen vacancies formed in the channel formation region can be filled with oxygen. can. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.

《導電層190》
導電層190には、ゲート電極層160と同様の材料を用いることができる。
<<Conductive layer 190>>
A material similar to that of the gate electrode layer 160 can be used for the conductive layer 190 .

《導電層195》
導電層195には、ゲート電極層160と同様の材料を用いることができる。
<<Conductive layer 195>>
A material similar to that of the gate electrode layer 160 can be used for the conductive layer 195 .

<トランジスタの作製方法>
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について図5乃至図13を用いて説明する。
なお、上記トランジスタの構成において説明した部分と重複する部分については、省略す
る。また、図5乃至図13に示すA1-A2方向は図1(A)、図1(B)に示すチャネ
ル長方向と呼称する場合がある。また、図5乃至図13に示すA3-A4方向は、図1(
A)および図1(C)に示すチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Method for manufacturing transistor>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
It should be noted that description of portions that overlap with those described in the structure of the transistor will be omitted. Also, the A1-A2 direction shown in FIGS. 5 to 13 is sometimes referred to as the channel length direction shown in FIGS. 1A and 1B. Also, the A3-A4 direction shown in FIGS.
A) and FIG. 1C may be referred to as the channel width direction.

本実施の形態において、トランジスタを構成する各層(絶縁層、酸化物半導体層、導電層
等)は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor D
eposition)法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD:Pulse La
ser Deposition)法を用いて形成することができる。あるいは、塗布法や
印刷法で形成することができる。成膜方法としては、スパッタリング法、プラズマCVD
法が代表的であるが、熱CVD法でもよい。熱CVD法の例として、有機金属化学気相堆
積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Dep
osition)法や原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposit
ion)法を使ってもよい。また、スパッタリング法では、ロングスロー方式とコリメー
ト方式を組み合わせて用いることで、埋め込み性を向上させることができる。
In this embodiment, each layer (insulating layer, oxide semiconductor layer, conductive layer, etc.) forming a transistor is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD: Chemical Vapor Deposition).
deposition) method, vacuum deposition method, pulse laser deposition (PLD: Pulse La
It can be formed using a ser deposition method. Alternatively, it can be formed by a coating method or a printing method. As a film formation method, sputtering method, plasma CVD
method is typical, but a thermal CVD method may also be used. As an example of the thermal CVD method, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
position) method and atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposit
ion) method may be used. Moreover, in the sputtering method, embedding properties can be improved by using a combination of the long-throw method and the collimate method.

<熱CVD法>
熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成
されることが無いという利点を有する。
<Thermal CVD method>
The thermal CVD method is a film forming method that does not use plasma, so it has the advantage of not generating defects due to plasma damage.

また、熱CVD法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を
大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで
成膜を行ってもよい。
In the thermal CVD method, a raw material gas and an oxidizing agent are sent into a chamber at the same time, the inside of the chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, and the gases are reacted in the vicinity of or on the substrate to form a film on the substrate. good too.

また、MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した金属膜、半導体
膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、In-Ga-Zn-O膜を
成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、およびジメチル亜鉛を
用いることができる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、In(CHである
。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ga(CHである。また、ジメチル亜鉛
の化学式は、Zn(CHである。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメ
チルガリウムに代えてトリエチルガリウム(化学式Ga(C)を用いることも
でき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(化学式Zn(C)を用いることも
できる。
Thermal CVD methods such as MOCVD and ALD can form various films such as metal films, semiconductor films, and inorganic insulating films. For film formation, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc can be used. Note that the chemical formula of trimethylindium is In(CH 3 ) 3 . Also, the chemical formula of trimethylgallium is Ga(CH 3 ) 3 . Also, the chemical formula of dimethylzinc is Zn(CH 3 ) 2 . Moreover, it is not limited to these combinations, and triethylgallium (chemical formula Ga(C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (chemical formula Zn(C 2 H 5 )) can be used instead of dimethylzinc. 2 ) can also be used.

<ALD法>
従来のCVD法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガス(プリカーサ)
の1種または複数種がチャンバーに同時に供給される。ALD法を利用した成膜装置は、
反応のためのプリカーサが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返す
ことで成膜を行う。例えば、それぞれのスイッチングバルブ(高速バルブとも呼ぶ)を切
り替えて2種類以上のプリカーサを順番にチャンバーに供給し、複数種のプリカーサが混
ざらないように第1のプリカーサの後に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)などを
導入し、第2のプリカーサを導入する。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気に
よって第1のプリカーサを排出した後、第2のプリカーサを導入することができる。
<ALD method>
A conventional film forming apparatus using the CVD method has a raw material gas (precursor) for reaction during film formation.
are simultaneously supplied to the chamber. A film forming apparatus using the ALD method is
Precursors for reaction are sequentially introduced into the chamber, and film formation is performed by repeating the order of gas introduction. For example, each switching valve (also called a high-speed valve) is switched to sequentially supply two or more types of precursors to the chamber, and the first precursor is followed by an inert gas (argon, or nitrogen, etc.) is introduced, and a second precursor is introduced. Also, instead of introducing an inert gas, the second precursor can be introduced after the first precursor has been discharged by evacuation.

図3(A)、(B)、(C)、(D)にALD法の成膜過程を示す。第1のプリカーサ6
01が基板の表面に吸着して(図3(A)参照)、第1の単一層が成膜される(図3(B
)参照)。この際、プリカーサ中に含有する金属原子等が基板表面に存在する水酸基と結
合することができる。金属原子にはメチル基やエチル基などのアルキル基が結合していて
もよい。第1のプリカーサ601を排気した後に導入される第2のプリカーサ602と反
応して(図3(C)参照)、第2の単一層が第1の単一層上に積層されて薄膜が形成され
る(図3(D)参照)。例えば、第2のプリカーサとして酸化剤が含まれていた場合には
第1のプリカーサ中に存在する金属原子または金属原子と結合したアルキル基と、酸化剤
との間で化学反応がおこり、酸化膜を形成することができる。
FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D show the film formation process of the ALD method. First precursor 6
01 adsorbs to the surface of the substrate (see FIG. 3(A)) and a first monolayer is deposited (see FIG. 3(B)
)reference). At this time, metal atoms and the like contained in the precursor can bond with hydroxyl groups present on the substrate surface. An alkyl group such as a methyl group or an ethyl group may be bonded to the metal atom. Reacting with the second precursor 602 introduced after evacuating the first precursor 601 (see FIG. 3(C)), the second monolayer is deposited on the first monolayer to form a thin film. (See FIG. 3(D)). For example, when an oxidizing agent is contained as the second precursor, a chemical reaction occurs between the metal atom present in the first precursor or the alkyl group bonded to the metal atom and the oxidizing agent, resulting in an oxide film. can be formed.

ALD法は表面化学反応に基づいた成膜方法であり、プリカーサが被成膜表面に吸着し、
自己停止機構が作用することで、一層形成される。例えば、トリメチルアルミニウムのよ
うなプリカーサと当該被成膜表面に存在する水酸基(OH基)が反応する。この時、熱に
よる表面反応のみが起こるため、プリカーサが当該被成膜表面と接触し、熱エネルギーを
介して当該被成膜表面にプリカーサ中の金属原子等が吸着することができる。また、プリ
カーサは、高い蒸気圧を有し、成膜前の段階では熱的安定であり自己分解しない、基板へ
化学吸着が速いなどの特徴を有する。また、プリカーサはガスとして導入されるため、交
互に導入されるプリカーサが十分に拡散する時間を有することができれば、高アスペクト
比の凹凸を有する領域であっても、被覆性よく成膜することができる。
The ALD method is a film formation method based on surface chemical reactions, in which the precursor adsorbs to the surface of the film to be formed,
It is further formed by the action of the self-stopping mechanism. For example, a precursor such as trimethylaluminum reacts with a hydroxyl group (OH group) present on the film-forming surface. At this time, only a surface reaction due to heat occurs, so that the precursor comes into contact with the film-forming surface, and metal atoms and the like in the precursor can be adsorbed to the film-forming surface via thermal energy. In addition, the precursor has characteristics such as having a high vapor pressure, being thermally stable at the stage before film formation, not self-decomposing, and rapidly chemically adsorbing onto the substrate. In addition, since the precursor is introduced as a gas, if the alternately introduced precursor can have sufficient time to diffuse, it is possible to form a film with good coverage even in a region having unevenness with a high aspect ratio. can.

また、ALD法においては、ガス導入順序を制御しつつ、所望の厚さになるまで複数回繰
り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、繰り返
す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。また、排気能
力を高めることで成膜速度を高めることができ、さらに膜中の不純物濃度を低減すること
ができる。
In addition, in the ALD method, a thin film having excellent step coverage can be formed by controlling the order of gas introduction and repeating the steps until a desired thickness is obtained. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of repetitions, precise film thickness adjustment is possible. In addition, by increasing the exhaust capacity, the film formation speed can be increased, and the impurity concentration in the film can be reduced.

また、ALD法には、熱を用いたALD法(熱ALD法)、プラズマを用いたALD法(
プラズマALD法)がある。熱ALD法では、熱エネルギーを用いてプリカーサの反応を
行うものであり、プラズマALD法はプリカーサの反応をラジカルの状態で行うものであ
る。
In addition, the ALD method includes the ALD method using heat (thermal ALD method) and the ALD method using plasma (
plasma ALD method). In the thermal ALD method, the reaction of the precursor is performed using thermal energy, and in the plasma ALD method, the reaction of the precursor is performed in the state of radicals.

ALD法は、極めて薄い膜が精度よく成膜できる。凹凸を有する面に対しても、表面被覆
率が高く、膜密度が高い。
The ALD method can form an extremely thin film with high accuracy. The surface coverage is high and the film density is high even on an uneven surface.

<プラズマALD法>
また、プラズマALD法により成膜することで、熱を用いたALD法(熱ALD法)に比
べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマALD法は、例えば、100℃以下でも
成膜速度を低下させずに成膜することができる。また、プラズマALD法では、Nをプ
ラズマによりラジカル化することができるため、酸化物のみならず窒化物を成膜すること
ができる。
<Plasma ALD method>
In addition, by forming a film by the plasma ALD method, it becomes possible to form the film at a lower temperature than the ALD method using heat (thermal ALD method). The plasma ALD method can form a film at a temperature of, for example, 100° C. or less without lowering the film forming speed. Moreover, in the plasma ALD method, since N 2 can be radicalized by plasma, not only oxide but also nitride can be formed.

また、プラズマALD法では、酸化剤の酸化力を高めることができる。これによりALD
法で膜形成を行う場合に膜中に残留するプリカーサ、あるいはプリカーサから脱離した有
機成分を低減することができ、また膜中の炭素、塩素、水素などを低減することができ、
不純物濃度の低い膜を有することができる。
Also, in the plasma ALD method, the oxidizing power of the oxidizing agent can be enhanced. This allows ALD
When the film is formed by the method, the precursor remaining in the film or the organic component desorbed from the precursor can be reduced, and carbon, chlorine, hydrogen, etc. in the film can be reduced.
It can have a film with a low impurity concentration.

また、プラズマALD法を行う場合には、ラジカル種を発生させる際、ICP(Indu
ctively Coupled Plasma)などのように基板から離れた状態でプ
ラズマを発生させることもでき、基板あるいは当該保護膜が形成される膜に対するプラズ
マダメージを抑えることができる。
Further, when performing the plasma ALD method, when generating radical species, ICP (Indus
Plasma can also be generated in a state away from the substrate such as actively coupled plasma), and plasma damage to the substrate or the film on which the protective film is formed can be suppressed.

上記により、プラズマALD法を用いることで、他の成膜方法に比べて、プロセス温度が
下げることができ、かつ表面被覆率を高めることができ、当該膜を成膜することができる
。これにより、外部からの水、水素の侵入を抑えることができる。したがって、トランジ
スタ特性の信頼性を向上させることができる。
As described above, by using the plasma ALD method, the process temperature can be lowered and the surface coverage can be increased compared to other film formation methods, and the film can be formed. As a result, entry of water and hydrogen from the outside can be suppressed. Therefore, the reliability of transistor characteristics can be improved.

<ALD装置に関する説明>
図4(A)にALD法を利用する成膜装置の一例を示す。ALD法を利用する成膜装置は
、成膜室(チャンバー1701)と、原料供給部1711a、1711bと、流量制御器
である高速バルブ1712a、1712bと、原料導入口1713a、1713bと、原
料排出口1714と、排気装置1715を有する。チャンバー1701内に設置される原
料導入口1713a、1713bは供給管やバルブを介して原料供給部1711a、17
11bとそれぞれ接続されており、原料排出口1714は、排出管やバルブや圧力調整器
を介して排気装置1715と接続されている。
<Description of ALD apparatus>
FIG. 4A shows an example of a film forming apparatus using the ALD method. A film forming apparatus using the ALD method includes a film forming chamber (chamber 1701), source supply units 1711a and 1711b, high-speed valves 1712a and 1712b as flow rate controllers, source inlets 1713a and 1713b, and source outlets. 1714 and an exhaust device 1715 . Raw material introduction ports 1713a and 1713b installed in the chamber 1701 are connected to raw material supply units 1711a and 1711a through supply pipes and valves.
11b, and the raw material discharge port 1714 is connected to an exhaust device 1715 via a discharge pipe, a valve, and a pressure regulator.

チャンバー内部にはヒータを備えた基板ホルダ1716があり、その基板ホルダ上に被成
膜させる基板1700を配置する。
A substrate holder 1716 equipped with a heater is provided inside the chamber, and a substrate 1700 on which a film is to be formed is placed on the substrate holder.

原料供給部1711a、1711bでは、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液
体の原料から原料ガスを形成する。或いは、原料供給部1711a、1711bは、気体
の原料ガスを供給する構成としてもよい。
In the raw material supply units 1711a and 1711b, a raw material gas is formed from a solid raw material or a liquid raw material by a vaporizer, heating means, or the like. Alternatively, the raw material supply units 1711a and 1711b may be configured to supply a gaseous raw material gas.

また、原料供給部1711a、1711bを2つ設けている例を示しているが特に限定さ
れず、3つ以上設けてもよい。また、高速バルブ1712a、1712bは時間で精密に
制御することができ、原料ガスと不活性ガスのいずれか一方を供給する構成となっている
。高速バルブ1712a、1712bは原料ガスの流量制御器であり、且つ、不活性ガス
の流量制御器とも言える。
Moreover, although an example in which two raw material supply units 1711a and 1711b are provided is shown, the present invention is not particularly limited, and three or more may be provided. Further, the high-speed valves 1712a and 1712b can be precisely controlled by time, and are configured to supply either the raw material gas or the inert gas. The high-speed valves 1712a and 1712b are source gas flow controllers, and can also be said to be inert gas flow controllers.

図4(A)に示す成膜装置では、基板1700を基板ホルダ1716上に搬入し、チャン
バー1701を密閉状態とした後、基板ホルダ1716のヒータ加熱により基板1700
を所望の温度(例えば、100℃以上または150℃以上)とし、原料ガスの供給と、排
気装置1715による排気と、不活性ガスの供給と、排気装置1715による排気とを繰
りかえすことで薄膜を基板表面に形成する。
In the deposition apparatus shown in FIG. 4A, after the substrate 1700 is loaded onto the substrate holder 1716 and the chamber 1701 is sealed, the substrate 1700 is heated by the heater of the substrate holder 1716.
is set to a desired temperature (for example, 100° C. or higher or 150° C. or higher), and the thin film is removed from the substrate by repeating the supply of the raw material gas, the evacuation by the evacuation device 1715, the supply of the inert gas, and the evacuation by the evacuation device 1715. form on the surface.

図4(A)に示す成膜装置では、原料供給部1711a、1711bに用意する原料(揮
発性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、ハフニウム、アルミニウム、タン
タル、ジルコニウム等から選択された一種以上の元素を含む酸化物(複合酸化物も含む)
を含んで構成される絶縁層を成膜することができる。具体的には、酸化ハフニウムを含ん
で構成される絶縁層、酸化アルミニウムを含んで構成される絶縁層、ハフニウムシリケー
トを含んで構成される絶縁層、又はアルミニウムシリケートを含んで構成される絶縁層を
成膜することができる。また、原料供給部1711a、1711bに用意する原料(揮発
性有機金属化合物など)を適宜選択することにより、タングステン層、チタン層などの金
属層や、窒化チタン層などの窒化物層などの薄膜を成膜することもできる。
In the film formation apparatus shown in FIG. 4A, one kind of material selected from hafnium, aluminum, tantalum, zirconium, and the like is selected by appropriately selecting a material (eg, a volatile organometallic compound) prepared in the material supply units 1711a and 1711b. Oxides containing the above elements (including composite oxides)
can be deposited. Specifically, an insulating layer containing hafnium oxide, an insulating layer containing aluminum oxide, an insulating layer containing hafnium silicate, or an insulating layer containing aluminum silicate is used. A film can be formed. By appropriately selecting raw materials (such as volatile organometallic compounds) prepared in the raw material supply units 1711a and 1711b, thin films such as metal layers such as a tungsten layer and a titanium layer, and nitride layers such as a titanium nitride layer can be formed. A film can also be formed.

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化ハフニウム層を形成する場合には、溶媒
とハフニウム前駆体化合物を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチル
アミドハフニウム(TDMAH)などのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸
化剤としてオゾン(O)の2種類のガスを用いる。この場合、原料供給部1711aか
ら供給する第1の原料ガスがTDMAHであり、原料供給部1711bから供給する第2
の原料ガスがオゾンとなる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf
[N(CHである。また、他の材料としては、テトラキス(エチルメチルアミ
ド)ハフニウムなどがある。なお、窒素は電荷捕獲準位を消失させる機能を有する。した
がって、原料ガスが窒素を含むことで、電荷捕獲準位密度の低い酸化ハフニウムを成膜す
ることができる。
For example, when a hafnium oxide layer is formed by a film forming apparatus using the ALD method, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor compound (hafnium alkoxide or hafnium amide such as tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH)) is vaporized. Two types of gases are used: a raw material gas and ozone (O 3 ) as an oxidizing agent. In this case, the first raw material gas supplied from the raw material supply unit 1711a is TDMAH, and the second raw material gas supplied from the raw material supply unit 1711b is TDMAH.
becomes ozone. The chemical formula of tetrakisdimethylamide hafnium is Hf
[N( CH3 ) 2 ] 4 . Other materials include tetrakis(ethylmethylamido)hafnium. Note that nitrogen has a function of eliminating a charge trapping level. Therefore, when the source gas contains nitrogen, a film of hafnium oxide with a low charge trap level density can be formed.

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化アルミニウム層を形成する場合には、溶
媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体(TMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化
剤としてHOの2種類のガスを用いる。この場合、原料供給部1711aから供給する
第1の原料ガスがTMAであり、原料供給部1711bから供給する第2の原料ガスがH
Oとなる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CHである。また、
他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニ
ウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオナー
ト)などがある。
For example, in the case of forming an aluminum oxide layer with a film forming apparatus using the ALD method, a raw material gas obtained by vaporizing a liquid (such as TMA) containing a solvent and an aluminum precursor compound and H 2 O as an oxidizing agent are used. Use different types of gas. In this case, the first raw material gas supplied from the raw material supply unit 1711a is TMA, and the second raw material gas supplied from the raw material supply unit 1711b is H.
2 O. The chemical formula of trimethylaluminum is Al(CH 3 ) 3 . again,
Other material liquids include tris(dimethylamido)aluminum, triisobutylaluminum, and aluminum tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate).

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサ
クロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O
、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
For example, when a silicon oxide film is formed by a film forming apparatus using the ALD method, hexachlorodisilane is adsorbed on the film formation surface, chlorine contained in the adsorbed substance is removed, and an oxidizing gas (O
2 , dinitrogen monoxide) radicals are supplied to react with the adsorbate.

例えば、ALD法を利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WF
ガスとBガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WF
ガスとHガスを順次繰り返し導入してタングステン膜を形成する。なお、B
スに代えてSiHガスを用いてもよい。
For example, when forming a tungsten film with a film forming apparatus using the ALD method, WF 6
gas and B 2 H 6 gas are sequentially and repeatedly introduced to form an initial tungsten film, and then WF
6 gas and H2 gas are successively and repeatedly introduced to form a tungsten film. SiH4 gas may be used instead of B2H6 gas .

例えば、ALD法を利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばIn-Ga-Zn-
O膜を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してIn
-O層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してGa
O層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してZn
O層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混
ぜてIn-Ga-O層やIn-Zn-O層、Ga-Zn-O層などの混合化合物層を形成
しても良い。なお、Oガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングして得られたH
Oガスを用いても良いが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。また、In(C
ガスに代えて、In(Cガスを用いても良い。また、Ga(CH
ガスにかえて、Ga(Cガスを用いても良い。また、Zn(CHガス
を用いても良い。
For example, an oxide semiconductor film such as In-Ga-Zn-
When forming an O film, In(CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially and repeatedly introduced to form an In film.
—O layer is formed, and then Ga(CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are successively and repeatedly introduced to form Ga
An O layer is formed, and then Zn(CH 3 ) 2 gas and O 3 gas are sequentially and repeatedly introduced to form a Zn layer.
Form an O layer. Note that the order of these layers is not limited to this example. Further, these gases may be mixed to form a mixed compound layer such as an In--Ga--O layer, an In--Zn--O layer, or a Ga--Zn--O layer. Note that H 2 obtained by bubbling with an inert gas such as Ar instead of O 3 gas
Although O gas may be used, it is preferable to use O 3 gas containing no H. Also, In(C
In(C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of H 3 ) 3 gas. In addition, Ga( CH3 )
Ga(C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of 3 gas. Alternatively, Zn(CH 3 ) 2 gas may be used.

《マルチチャンバー製造装置》
また、図4(A)に示す成膜装置を少なくとも一つ有するマルチチャンバーの製造装置の
一例を図4(B)に示す。
《Multi-chamber manufacturing equipment》
FIG. 4B shows an example of a multi-chamber manufacturing apparatus having at least one deposition apparatus shown in FIG. 4A.

図4(B)に示す製造装置は、積層膜を大気に触れることなく連続成膜することができ、
不純物の混入防止やスループット向上を図っている。
The manufacturing apparatus shown in FIG. 4B can continuously form laminated films without exposure to the atmosphere.
We are trying to prevent contamination of impurities and improve throughput.

図4(B)に示す製造装置は、ロード室1702、搬送室1720、前処理室1703、
成膜室であるチャンバー1701、アンロード室1706を少なくとも有する。なお、製
造装置のチャンバー(ロード室、処理室、搬送室、成膜室、アンロード室などを含む)は
、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス(窒素ガス等)を充填させて
おくことが好ましく、望ましくは減圧を維持させる。
The manufacturing apparatus shown in FIG. 4B includes a load chamber 1702, a transfer chamber 1720, a pretreatment chamber 1703,
It has at least a chamber 1701 and an unload chamber 1706 which are film formation chambers. In addition, the chambers of the manufacturing equipment (including load chambers, processing chambers, transfer chambers, film formation chambers, unload chambers, etc.) should be filled with inert gas (nitrogen gas, etc.) with a controlled dew point to prevent moisture from adhering. is preferably filled, and desirably a reduced pressure is maintained.

また、チャンバー1704、チャンバー1705は、チャンバー1701と同じALD法
を利用する成膜装置としてもよいし、プラズマCVD法を利用する成膜装置としてもよい
し、スパッタリング法を利用する成膜装置としてもよいし、MOCVD法を利用する成膜
装置としてもよい。
Further, the chamber 1704 and the chamber 1705 may be a film forming apparatus using the same ALD method as the chamber 1701, a film forming apparatus using a plasma CVD method, or a film forming apparatus using a sputtering method. Alternatively, a film forming apparatus using the MOCVD method may be used.

例えば、チャンバー1704としてプラズマCVD法を利用する成膜装置とし、チャンバ
ー1705としてMOCVD法を利用する成膜装置とし、積層膜を成膜する一例を以下に
示す。
For example, an example of depositing a laminated film using a deposition apparatus using plasma CVD as the chamber 1704 and a deposition apparatus using MOCVD as the chamber 1705 will be described below.

図4(B)では搬送室1720の上面図が六角形の例を示しているが、積層膜の層数に応
じて、それ以上の多角形としてより多くのチャンバーと連結させた製造装置としてもよい
。また、図4(B)では基板の上面形状を矩形で示しているが、特に限定されない。また
、図4(B)では枚葉式の例を示したが、複数枚の基板に対して成膜するバッチ式の成膜
装置としてもよい。
FIG. 4B shows an example in which the top view of the transfer chamber 1720 is hexagonal. good. In addition, although the top surface shape of the substrate is shown as a rectangle in FIG. 4B, it is not particularly limited. Further, although FIG. 4B shows an example of a single-wafer type, a batch-type film forming apparatus for forming films on a plurality of substrates may be used.

<絶縁層110の形成>
まず、基板100上に絶縁層110を成膜する。絶縁層110は、プラズマCVD法、熱
CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはスパッタリング法等により、例えば、酸化
アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸
化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、
酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの金属酸化物膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコ
ン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合
材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも
後に金属酸化物層121となる第1の金属酸化物膜と接する積層の上層は酸化物半導体層
122への酸素の供給源となりえる過剰な酸素を含む材料で形成することが好ましい。
<Formation of insulating layer 110>
First, the insulating layer 110 is formed on the substrate 100 . The insulating layer 110 is formed by a plasma CVD method, a thermal CVD method (MOCVD method, ALD method), a sputtering method, or the like, using, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide,
It can be formed using a metal oxide film such as hafnium oxide or tantalum oxide, a nitride insulating film such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide, or a mixed material thereof. Alternatively, a stack of any of the above materials may be used, and at least the upper layer of the stack that is in contact with the first metal oxide film that will later become the metal oxide layer 121 contains excess oxygen that can serve as an oxygen supply source for the oxide semiconductor layer 122 . It is preferably made of a material containing

なお、絶縁層110を形成する上で、水素を含まない、あるいは水素の含有量が1%以下
の材料を用いることで、酸化物半導体層中の酸素欠損の発生を抑制することができ、トラ
ンジスタの動作を安定させることができる。
Note that when the insulating layer 110 is formed using a material that does not contain hydrogen or has a hydrogen content of 1% or less, the occurrence of oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer can be suppressed. operation can be stabilized.

例えば、絶縁層110としてプラズマCVD法により厚さ100nmの酸化窒化シリコン
膜を用いることができる。
For example, a silicon oxynitride film with a thickness of 100 nm can be used as the insulating layer 110 by a plasma CVD method.

次に、第1の加熱処理を行って、絶縁層110に含まれる水、水素等を脱離させてもよい
。この結果、絶縁層110に含まれる水、水素等の濃度を低減することが可能であり、加
熱処理によって、後に形成される第1の金属酸化物膜への水、水素等の拡散量を低減する
ことができる。
Next, first heat treatment may be performed to desorb water, hydrogen, or the like from the insulating layer 110 . As a result, the concentrations of water, hydrogen, and the like in the insulating layer 110 can be reduced, and the heat treatment reduces the diffusion amount of water, hydrogen, and the like into the first metal oxide film that is formed later. can do.

<第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の形成>
続いて、絶縁層110上に、後に金属酸化物層121となる第1の金属酸化物膜、後に酸
化物半導体層122となる酸化物半導体膜を成膜する。第1の金属酸化物膜、酸化物半導
体層122となる酸化物半導体膜は、スパッタリング法、MOCVD法、PLD法などに
より形成することができ、スパッタリング法を用いて形成することがより好ましい。スパ
ッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリ
ング法等を用いることができる。また、スパッタリング法において、対向ターゲット方式
(対向電極方式、気相スパッタリング方式、VDSP(Vapor Depositio
n Sputtering)方式ともいう)により作成することにより、成膜時のプラズ
マダメージを低減することができる。
<Formation of First Metal Oxide Film, Oxide Semiconductor Film to Become Oxide Semiconductor Layer 122>
Subsequently, over the insulating layer 110, a first metal oxide film to be the metal oxide layer 121 later and an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 later are formed. The first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be formed by a sputtering method, an MOCVD method, a PLD method, or the like, and are more preferably formed by a sputtering method. As the sputtering method, an RF sputtering method, a DC sputtering method, an AC sputtering method, or the like can be used. In addition, in the sputtering method, a facing target method (a facing electrode method, a vapor phase sputtering method, a VDSP (Vapor Depositio
Plasma damage during film formation can be reduced by forming the film by the n-sputtering method.

例えば、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する
場合、スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体膜にとって不純物とな
る水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用い
て高真空化(5×10-7Pa乃至1×10-4Pa程度まで)できること、かつ、成膜
される基板を100℃以上、好ましくは400℃以上に加熱できることが好ましい。また
は、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素
成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。また、ターボ分子
ポンプとクライオポンプを組み合わせた排気系を用いてもよい。
For example, when the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed by a sputtering method, each chamber in the sputtering apparatus is equipped with a cryopump to remove impurities such as water from the oxide semiconductor film as much as possible. high vacuum (up to about 5×10 −7 Pa to 1×10 −4 Pa) using an adsorption-type vacuum pump, and the substrate on which a film is to be formed is heated to 100° C. or higher, preferably 400° C. or higher. Heating is preferred. Alternatively, it is preferable to combine a turbomolecular pump and a cold trap to prevent backflow of gas containing carbon components, moisture, etc. from the exhaust system into the chamber. Alternatively, an exhaust system combining a turbomolecular pump and a cryopump may be used.

高純度真性の酸化物半導体膜を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならず
スパッタリングガスの高純度化することも望ましい。スパッタリングガスとして用いる酸
素ガスやアルゴンガスは、露点が-40℃以下、好ましくは-80℃以下、より好ましく
は-100℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り
込まれることを可能な限り防ぐことができる。
In order to obtain a highly purified intrinsic oxide semiconductor film, it is desirable not only to evacuate the chamber to a high vacuum, but also to highly purify the sputtering gas. An oxygen gas or an argon gas used as a sputtering gas is highly purified to have a dew point of −40° C. or lower, preferably −80° C. or lower, more preferably −100° C. or lower, so that the oxide semiconductor film is free from moisture or the like. can be prevented as much as possible.

スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガスおよび酸素の混合
ガスを適宜用いる。なお、希ガスおよび酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガ
ス比を高めることが好ましい。
As a sputtering gas, a rare gas (typically argon), oxygen, or a mixed gas of a rare gas and oxygen is used as appropriate. In the case of a mixed gas of a rare gas and oxygen, it is preferable to increase the gas ratio of oxygen to the rare gas.

なお、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を形成する際に、例えば、スパッタリ
ング法を用いる場合、基板温度を150℃以上750℃以下、好ましくは150℃以上4
50℃以下、さらに好ましくは200℃以上420℃以下として、酸化物半導体膜を成膜
することで、CAAC-OS膜を形成することができる。
Note that in the case where the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 is formed by, for example, a sputtering method, the substrate temperature is set to 150° C. to 750° C., preferably 150° C. to 750° C.
By forming an oxide semiconductor film at a temperature of 50° C. or lower, preferably 200° C. to 420° C. or lower, a CAAC-OS film can be formed.

第1の金属酸化物膜は、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜よりも電子親和力が
小さくなるように材料を選択することができる。
A material for the first metal oxide film can be selected so that the electron affinity is lower than that of the oxide semiconductor film that serves as the oxide semiconductor layer 122 .

また、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜において、例え
ばスパッタリング法により成膜する場合、マルチチャンバー方式のスパッタ装置を用いる
ことで、第1の金属酸化物膜と酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜は大気に露出
することなく連続成膜することができる。その場合、第1の金属酸化物膜と酸化物半導体
層122となる酸化物半導体膜の界面には余計な不純物などが入り込むことを抑えること
ができ、界面準位密度を低減することができる。この結果として、トランジスタの電気特
性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることができる。
In the case where the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 are formed by a sputtering method, for example, the first metal oxide film can be formed by using a multi-chamber sputtering apparatus. Then, an oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be continuously formed without being exposed to the air. In that case, entry of unnecessary impurities into the interface between the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be suppressed, and the interface state density can be reduced. As a result, it is possible to stabilize the electrical characteristics of the transistor, especially the characteristics in the reliability test.

また、絶縁層110中にダメージがあった場合に、金属酸化物層121があることにより
主要な電導パスとなる酸化物半導体層122をダメージ部から遠ざけることができ、結果
としてトランジスタの電気特性、とりわけ信頼性試験において特性を安定化させることが
できる。
In addition, when the insulating layer 110 is damaged, the metal oxide layer 121 can keep the oxide semiconductor layer 122, which serves as a main conduction path, away from the damaged portion. In particular, the characteristics can be stabilized in reliability tests.

例えば、第1の金属酸化物膜として、スパッタリング法により、ターゲットとしてIn:
Ga:Zn=1:3:4(原子数比)を用いて厚さ20nm成膜した絶縁膜を用いること
ができる。また、酸化物半導体膜としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn
:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)を用いて厚さ15nm成膜した酸化物半導体膜を
用いることができる。
For example, as the first metal oxide film, In:
An insulating film formed to a thickness of 20 nm using Ga:Zn=1:3:4 (atomic ratio) can be used. In addition, the oxide semiconductor film was formed by a sputtering method, and In
:Ga:Zn=1:1:1 (atomic ratio), and an oxide semiconductor film having a thickness of 15 nm can be used.

なお、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜成膜後に第2の
加熱処理を行うことにより、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半
導体膜の酸素欠損量を低減することができる。
Note that by performing second heat treatment after the oxide semiconductor film to be the first metal oxide film and the oxide semiconductor layer 122 is formed, oxidation to be the first metal oxide film and the oxide semiconductor layer 122 is performed. The amount of oxygen vacancies in the material semiconductor film can be reduced.

第2の加熱処理の温度は、250℃以上基板歪み点未満、好ましくは300℃以上650
℃以下、更に好ましくは350℃以上550℃以下とする。
The temperature of the second heat treatment is 250° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 300° C. or higher and 650° C.
°C or lower, more preferably 350 °C or higher and 550 °C or lower.

第2の加熱処理は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス、ま
たは窒素を含む不活性ガス雰囲気で行う。または、不活性ガス雰囲気で加熱した後、酸素
雰囲気または乾燥空気(露点が-80℃以下、好ましくは-100℃以下、好ましくは-
120℃以下である空気)雰囲気で加熱してもよい。または減圧状態で行えばよい。なお
、上記乾燥空気の他、不活性ガスおよび酸素に水素、水などが含まれないことが好ましく
、代表的には露点が-80℃以下、好ましくは-100℃以下であることが好ましい。処
理時間は3分から24時間とする。
The second heat treatment is performed in an inert gas atmosphere containing a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, or krypton, or nitrogen. Alternatively, after heating in an inert gas atmosphere, an oxygen atmosphere or dry air (with a dew point of −80° C. or less, preferably −100° C. or less, preferably −
It may be heated in an air atmosphere of 120° C. or less. Alternatively, it may be carried out under reduced pressure. In addition to the dry air, the inert gas and oxygen preferably do not contain hydrogen, water, etc. Typically, the dew point is -80°C or lower, preferably -100°C or lower. The treatment time is 3 minutes to 24 hours.

なお、加熱処理において、電気炉の代わりに、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導また
は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal An
neal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスに
は、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、不活性ガスが用いられる。
In the heat treatment, instead of the electric furnace, a device that heats the object by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be used. For example, GRTA (Gas
Rapid Thermal Anneal) device, LRTA (Lamp Rapid
RTA (Rapid Thermal Anneal) equipment such as
neal) device can be used. An LRTA apparatus is an apparatus that heats an object by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from lamps such as halogen lamps, metal halide lamps, xenon arc lamps, carbon arc lamps, high pressure sodium lamps, and high pressure mercury lamps. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using high-temperature gas. The hot gas may be a noble gas such as argon or an inert gas such as nitrogen.

なお、第2の加熱処理は、後述する、金属酸化物層121、酸化物半導体層122を形成
するエッチングの後に行ってもよい。
Note that the second heat treatment may be performed after etching for forming the metal oxide layer 121 and the oxide semiconductor layer 122, which is described later.

例えば、窒素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った後、酸素雰囲気にお
いて、450℃で1時間の加熱処理を行うことができる。
For example, after heat treatment is performed at 450° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, heat treatment can be performed at 450° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

以上の工程により、第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜の
酸素欠損の低減、また水素、水などの不純物を低減することができる。また、局在準位密
度が低減された第1の金属酸化物膜、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜を形成
することができる。
Through the above steps, oxygen vacancies in the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be reduced, and impurities such as hydrogen and water can be reduced. Further, the first metal oxide film and the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 can be formed in which the localized level density is reduced.

なお、酸素を材料とした高密度のプラズマ照射により、加熱処理と同様の効果を得ること
ができる。照射時間は1分以上3時間以下、好ましくは3分以上2時間以下、より好まし
くは5分以上1時間以下とする。
Note that an effect similar to that of heat treatment can be obtained by high-density plasma irradiation using oxygen as a material. The irradiation time is 1 minute or more and 3 hours or less, preferably 3 minutes or more and 2 hours or less, more preferably 5 minutes or more and 1 hour or less.

<第1の導電膜の形成>
次に、酸化物半導体層122上にハードマスクとして用いる第1の導電膜を形成する。第
1の導電膜は、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD)法(有機金属化学気相堆積(
MOCVD)法、メタル化学気相堆積法、原子層成膜(ALD)法あるいはプラズマ化学
気相堆積(PECVD)法を含む。)、蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等を用
いて形成することができる。
<Formation of first conductive film>
Next, a first conductive film used as a hard mask is formed over the oxide semiconductor layer 122 . The first conductive film is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (organometallic chemical vapor deposition (
MOCVD), metal chemical vapor deposition, atomic layer deposition (ALD) or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). ), a vapor deposition method, a pulsed laser deposition (PLD) method, or the like.

第1の導電膜の材料は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(A
u)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、
ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(
Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(S
r)などの材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む
導電膜の単層または積層とすることが好ましい。
Materials of the first conductive film are copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (A
u), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta),
Nickel (Ni), Chromium (Cr), Lead (Pb), Tin (Sn), Iron (Fe), Cobalt (
Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (S
It is preferable to use a single layer or a laminated layer of a conductive film containing a single substance or an alloy of materials such as r), or a compound containing these materials as a main component.

例えば、厚さ20乃至100nmのタングステン膜をスパッタリング法により第1の導電
膜として形成することができる。
For example, a tungsten film with a thickness of 20 to 100 nm can be formed as the first conductive film by a sputtering method.

本実施の形態では、ハードマスクとして第1の導電膜を形成しているが、これに限定され
ず、絶縁膜を形成してもよい。
Although the first conductive film is formed as a hard mask in this embodiment mode, the present invention is not limited to this, and an insulating film may be formed.

<金属酸化物層121、酸化物半導体層122の形成>
次に、リソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて、
第1の導電膜を選択的にエッチングし、導電層130bを形成する。続いて、ハードマス
ク上のレジストを除去後、酸化物半導体層122となる酸化物半導体膜、第1の金属酸化
物膜をそれぞれ選択的にエッチングし、酸化物半導体層122、金属酸化物層121を島
状に形成する(図5参照)。なお、エッチング方法としては、ドライエッチング法を用い
ることができる。なお、導電層130bをハードマスクとして用いて酸化物半導体層をエ
ッチングすることで、レジストマスクと比べてエッチングした後の酸化物半導体層のエッ
ジラフネスを低減することができる。
<Formation of Metal Oxide Layer 121 and Oxide Semiconductor Layer 122>
Next, a resist mask is formed by a lithography process, and using the resist mask,
The first conductive film is selectively etched to form a conductive layer 130b. Subsequently, after removing the resist on the hard mask, the oxide semiconductor film to be the oxide semiconductor layer 122 and the first metal oxide film are selectively etched, respectively, and the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 121 are etched. is formed in an island shape (see FIG. 5). Note that a dry etching method can be used as an etching method. Note that when the oxide semiconductor layer is etched using the conductive layer 130b as a hard mask, the edge roughness of the oxide semiconductor layer after etching can be reduced as compared with the resist mask.

<金属酸化物膜123aの形成>
次に、酸化物半導体層122、絶縁層110上に金属酸化物層123として用いられる金
属酸化物膜123aを成膜する。金属酸化物膜123aは、酸化物半導体膜、第1の金属
酸化物膜と同様の方法で成膜することができ、金属酸化物膜123aは、酸化物半導体膜
よりも電子親和力が小さくなるように材料を選択することができる。
<Formation of Metal Oxide Film 123a>
Next, a metal oxide film 123 a to be used as the metal oxide layer 123 is formed over the oxide semiconductor layer 122 and the insulating layer 110 . The metal oxide film 123a can be formed by a method similar to that of the oxide semiconductor film and the first metal oxide film, and the metal oxide film 123a has lower electron affinity than the oxide semiconductor film. material can be selected.

また、金属酸化物膜123aをロングスロー方式のスパッタリング法により成膜すること
で、溝部174における金属酸化物膜123aの埋め込み性を向上させることができる。
In addition, by forming the metal oxide film 123a by a long-throw sputtering method, the embedding property of the metal oxide film 123a in the trench 174 can be improved.

例えば、金属酸化物膜123aとして、スパッタリング法により、In:Ga:Zn=1
:3:2(原子数比)のターゲットを用いて厚さ5nm成膜した酸化物半導体膜を用いる
ことができる。
For example, as the metal oxide film 123a, In:Ga:Zn=1 is formed by a sputtering method.
A 5-nm-thick oxide semiconductor film can be formed using a target of :3:2 (atomic ratio).

<第1の絶縁膜の成膜>
次に、金属酸化物膜123a上に後に絶縁層175となる第1の絶縁膜を成膜する。第1
の絶縁膜は、絶縁層110と同様の方法で成膜することができる。
<Formation of First Insulating Film>
Next, a first insulating film to be the insulating layer 175 later is formed over the metal oxide film 123a. first
can be formed by a method similar to that of the insulating layer 110 .

第1の絶縁膜は、プラズマCVD法、熱CVD法(MOCVD法、ALD法)、またはス
パッタリング法等により、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン
、酸化窒化シリコン、酸化フッ化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イッ
トリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化
タンタルなどの金属酸化物膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒
化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成すること
ができる。また、上記材料の積層であってもよい。
The first insulating film is formed by a plasma CVD method, a thermal CVD method (MOCVD method, ALD method), a sputtering method, or the like, such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon oxyfluoride, or gallium oxide. , germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide and tantalum oxide, nitride insulating films such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride and aluminum nitride oxide, or these can be formed using a mixed material of Moreover, the lamination|stacking of the said material may be sufficient.

<第1の絶縁膜の平坦化>
次に、第1の絶縁膜の平坦化処理を行い、絶縁層175bを形成する(図6参照)。平坦
化処理は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法
、ドライエッチング法、リフロー法などを用いて行うことができる。また、CMP法を用
いて平坦化する場合には、第1の絶縁膜上に第1の絶縁膜と組成の異なる膜を導入するこ
とにより、CMP処理後の基板面内の絶縁層175bの膜厚を均一にすることができる。
<Planarization of first insulating film>
Next, planarization treatment is performed on the first insulating film to form an insulating layer 175b (see FIG. 6). The planarization treatment can be performed using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, a dry etching method, a reflow method, or the like. Further, in the case of planarization using the CMP method, by introducing a film having a composition different from that of the first insulating film on the first insulating film, the film of the insulating layer 175b within the substrate surface after the CMP process is reduced. Thickness can be uniform.

<溝部の形成>
次に、平坦化した絶縁層175b上にリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する
。なお、当該絶縁層上に有機膜を塗布してから、あるいは、レジストマスク上に塗布して
からリソグラフィ工程を行ってもよい。当該有機膜は、プロピレングリコールモノメチル
エーテル、乳酸エチルなど、を有することができる。当該有機膜をもちいることで、露光
時の反射防止効果のほか、レジストマスクと膜との密着性の向上、解像性の向上などの効
果を有する。当該有機膜は、他の工程にも用いることができる。
<Formation of Grooves>
Next, a resist mask is formed over the planarized insulating layer 175b by a lithography process. Note that the lithography process may be performed after the organic film is applied on the insulating layer or after the resist mask is applied. The organic film can comprise propylene glycol monomethyl ether, ethyl lactate, and the like. The use of the organic film has effects such as an antireflection effect during exposure, an improvement in adhesion between the resist mask and the film, an improvement in resolution, and the like. The organic film can also be used in other processes.

なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、電子ビーム露光、液浸露
光、EUV(EUV:Extreme Ultra-Violet)露光などの細線加工
に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、当該レジストマスクを用いてエッチン
グが行われればよい。なお、電子ビーム露光でレジストマスクを形成する場合、当該レジ
ストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、
スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を10
0nm以下、30nm以下、さらには20nm以下とするトランジスタを形成することが
できる。または、X線等を用いた露光技術によって微細な加工を行ってもよい。
In the case of forming a transistor with an extremely short channel length, a resist mask is processed using a method suitable for fine line processing such as electron beam exposure, immersion exposure, or EUV (EUV: Extreme Ultra-Violet) exposure. Etching may be performed using a resist mask. When forming a resist mask by electron beam exposure, if a positive resist is used as the resist mask, the exposure area can be minimized.
Throughput can be improved. Using such a method, a channel length of 10
A transistor with a thickness of 0 nm or less, 30 nm or less, or even 20 nm or less can be formed. Alternatively, fine processing may be performed by an exposure technique using X-rays or the like.

当該レジストマスクを用いて、金属酸化物膜123aが露出するまで、絶縁層175bに
対してドライエッチング法により溝加工処理を行う。当該加工処理により、絶縁層175
、溝部174が形成される。
Using the resist mask, groove processing is performed on the insulating layer 175b by a dry etching method until the metal oxide film 123a is exposed. By the processing, the insulating layer 175
, grooves 174 are formed.

なお、溝部174の形状は、基板面に対して垂直形状であることが好ましい。 It should be noted that the shape of the groove portion 174 is preferably perpendicular to the substrate surface.

なお、溝部174の加工方法は、上記方法に限定されない。例えば、レジストマスクだけ
でなく、ハードマスクを用いてもよいし、リソグラフィ工程においてハーフトーンマスク
を用いて、レジストマスクの形状を制御してもよい。また、ナノインプリント法などによ
りマスクの形状を制御してもよい。当該方法は、他の工程にも適用することができる。
It should be noted that the processing method of the groove portion 174 is not limited to the above method. For example, not only a resist mask but also a hard mask may be used, or a halftone mask may be used in a lithography process to control the shape of the resist mask. Also, the shape of the mask may be controlled by a nanoimprint method or the like. The method can also be applied to other processes.

<第2の絶縁膜150aの形成>
次に、金属酸化物膜123a、および絶縁層175上にゲート絶縁層150となる第2の
絶縁膜150aを形成する。第2の絶縁膜150aには、例えば、酸化アルミニウム(A
lO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコ
ン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、
酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO
)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO
)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)などを用いることが
できる。なお、第2の絶縁膜150aは、上記材料の積層であってもよい。第2の絶縁膜
150aは、スパッタリング法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法
など)、MBE法、などを用いて形成することができる。また、第2の絶縁膜150aは
、絶縁層110と同様の方法を適宜用いて形成することができる。
<Formation of Second Insulating Film 150a>
Next, a second insulating film 150 a to be the gate insulating layer 150 is formed over the metal oxide film 123 a and the insulating layer 175 . For example, aluminum oxide (A
lOx ), magnesium oxide ( MgOx ), silicon oxide ( SiOx ) , silicon oxynitride (SiOxNy), silicon oxynitride ( SiNxOy ), silicon nitride ( SiNx ),
Gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x
), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x ), neodymium oxide (NdO
x ), hafnium oxide (HfO x ) and tantalum oxide (TaO x ) can be used. Note that the second insulating film 150a may be a stack of the above materials. The second insulating film 150a can be formed using a sputtering method, a CVD method (plasma CVD method, MOCVD method, ALD method, etc.), an MBE method, or the like. In addition, the second insulating film 150a can be formed using a method similar to that for the insulating layer 110 as appropriate.

例えば、第2の絶縁膜150aとしてプラズマCVD法により酸化窒化シリコンを10n
m形成することができる。
For example, as the second insulating film 150a, 10 nm of silicon oxynitride is deposited by plasma CVD.
m can be formed.

<導電膜160aの形成>
次に、第2の絶縁膜150a上にゲート電極層160となる導電膜160aを成膜する。
(図7参照)。導電膜160aとしては、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti
)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム
(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)
、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはこれらを主成分とする合金材料を用い
ることができる。導電膜160aは、スパッタリング法やCVD法(プラズマCVD法、
MOCVD法、ALD法など)、MBE法、蒸着法、めっき法などにより形成することが
できる。また、導電膜160aとしては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記導電
膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。
<Formation of Conductive Film 160a>
Next, a conductive film 160a to be the gate electrode layer 160 is formed over the second insulating film 150a.
(See FIG. 7). As the conductive film 160a, for example, aluminum (Al), titanium (Ti
), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), yttrium (Y), zirconium (Zr), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag)
, tantalum (Ta), tungsten (W), or an alloy material containing these as main components can be used. The conductive film 160a is formed by a sputtering method or a CVD method (plasma CVD method,
MOCVD method, ALD method, etc.), MBE method, vapor deposition method, plating method, or the like. As the conductive film 160a, a conductive film containing nitrogen may be used, or a stack of the above conductive film and a conductive film containing nitrogen may be used.

例えば、導電膜160aとして、窒化チタンをALD法により厚さ10nm形成し、タン
グステンをメタルCVD法により厚さ150nm形成した積層構造を用いることができる
For example, as the conductive film 160a, a stacked structure in which titanium nitride is formed with a thickness of 10 nm by ALD and tungsten is formed with a thickness of 150 nm by metal CVD can be used.

<平坦化処理>
次に、平坦化処理を行う。平坦化処理は、CMP法、ドライエッチング法などを用いて行
うことができる。平坦化処理は、第2の絶縁膜150aが露出した時点で終了してもよい
し、絶縁層175が露出した時点で終了してもよい。これにより、ゲート電極層160、
ゲート絶縁層150を形成することができる(図8参照)。
<Planarization treatment>
Next, planarization processing is performed. The planarization treatment can be performed using a CMP method, a dry etching method, or the like. The planarization process may be finished when the second insulating film 150a is exposed, or may be finished when the insulating layer 175 is exposed. As a result, the gate electrode layer 160,
A gate insulating layer 150 may be formed (see FIG. 8).

<絶縁層175のエッチバック処理>
次に、絶縁層175をドライエッチング法によりエッチバック処理を行い、金属酸化物膜
123aを露出させる。さらに、ゲート電極層160と重畳していない部分の金属酸化物
膜123aをエッチングし、金属酸化物層123を形成する(図9参照)。
<Etch-back treatment of insulating layer 175>
Next, the insulating layer 175 is etched back by dry etching to expose the metal oxide film 123a. Further, a portion of the metal oxide film 123a that does not overlap with the gate electrode layer 160 is etched to form the metal oxide layer 123 (see FIG. 9).

なお、図9に示す構造を形成する方法は、上記に限定されない。 Note that the method for forming the structure shown in FIG. 9 is not limited to the above.

例えば、図10に示すように溝部174に金属酸化物層123b、ゲート絶縁層150b
、ゲート電極層160を有する構造としてもよい。または、図11に示すように第2の絶
縁膜150aが金属酸化物膜123a上に形成された構造としてもよい。
For example, as shown in FIG.
, a structure including the gate electrode layer 160 may be employed. Alternatively, as shown in FIG. 11, the second insulating film 150a may be formed on the metal oxide film 123a.

<イオン添加処理>
次に、酸化物半導体層122に対してイオン167の添加処理を行う(図12参照)。添
加する材料は、水素(H)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、ク
リプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ホウ素(B)、リン(P)、タングステン(W)
、アルミニウム(Al)などを用いることができる。添加する方法としては、イオンドー
ピング法、イオン注入法、プラズマ浸漬イオン注入法、高密度プラズマ処理法等がある。
なお、微細化においては、イオン注入法を用いることで、所定のイオン以外の不純物の添
加を抑えることができるので、好ましい。また、イオンドーピング法、プラズマ浸漬イオ
ン注入法は、大面積を処理する場合に優れている。
<Ion addition treatment>
Next, addition treatment of ions 167 is performed on the oxide semiconductor layer 122 (see FIG. 12). Materials to be added are hydrogen (H), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), boron (B), phosphorus (P), and tungsten (W).
, aluminum (Al), or the like can be used. Methods of adding include an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, a high-density plasma processing method, and the like.
Note that in miniaturization, it is preferable to use an ion implantation method because addition of impurities other than predetermined ions can be suppressed. Also, the ion doping method and the plasma immersion ion implantation method are excellent when processing a large area.

当該イオン添加処理において、イオンの加速電圧は、イオン種と注入深さに応じて調整す
ることが望ましい。例えば、1kV以上100kV以下、3kV以上60kV以下とする
ことができる。また、イオンのドーズ量は1×1012ions/cm以上1×10
ions/cm以下、好ましくは1×1014ions/cm以上5×1016
ons/cm以下とすることが望ましい。
In the ion doping process, the ion acceleration voltage is desirably adjusted according to the ion species and the implantation depth. For example, it can be 1 kV or more and 100 kV or less, or 3 kV or more and 60 kV or less. In addition, the dose amount of ions is 1×10 12 ions/cm 2 or more and 1×10 1
7 ions/cm 2 or less, preferably 1×10 14 ions/cm 2 or more and 5×10 16 i
Ons/cm 2 or less is desirable.

イオン添加処理により、酸化物半導体層122に酸素欠損が形成され、低抵抗領域125
を有することができる(図13参照)。なお、酸化物半導体層122において、ゲート電
極層と重畳する領域にもイオンが拡散し、低抵抗領域125がゲート電極層と重畳する部
分にも形成される場合がある。
By the ion addition treatment, oxygen vacancies are formed in the oxide semiconductor layer 122 and the low-resistance regions 125 are formed.
(see FIG. 13). Note that in some cases, ions are diffused into a region of the oxide semiconductor layer 122 that overlaps with the gate electrode layer, and the low-resistance region 125 is formed also in a portion of the oxide semiconductor layer 122 that overlaps with the gate electrode layer.

また、イオン添加処理後に加熱処理を行うことにより、イオン添加処理時に生じた膜の損
傷を修復することができる。
Further, by performing heat treatment after the ion addition treatment, damage to the film caused during the ion addition treatment can be repaired.

次に、後に絶縁層180となる第3の絶縁膜を形成する。第3の絶縁膜の形成方法は、絶
縁層110と同様とすることができる。第3の絶縁膜を成膜した後、平坦化することが望
ましい。
Next, a third insulating film that will later become the insulating layer 180 is formed. A method for forming the third insulating film can be the same as that for the insulating layer 110 . After forming the third insulating film, it is desirable to planarize it.

次に第3の絶縁膜に開口部を設けるためにドライエッチング法によりエッチングを行う。 Next, dry etching is performed to form openings in the third insulating film.

次に、開口部に導電層190となる第3の導電膜を形成した後、平坦化処理を行い、導電
層190を形成する。
Next, after forming a third conductive film to be the conductive layer 190 in the opening, planarization treatment is performed to form the conductive layer 190 .

次に、導電層190上に導電層195となる第4の導電膜を形成する。第4の導電膜に対
してフォトリソグラフィ法、ナノインプリンティング法などを用いることにより、導電層
195を形成する。
Next, a fourth conductive film to be the conductive layer 195 is formed over the conductive layer 190 . A conductive layer 195 is formed by using a photolithography method, a nanoimprinting method, or the like on the fourth conductive film.

上記作製方法を用いることにより、トランジスタ10を形成することができる。上記作製
方法を用いることで、チャネル長が100nm以下、30nm以下、さらには20nm以
下のきわめて微細なトランジスタを安定して作製することができる。
By using the above manufacturing method, the transistor 10 can be formed. By using the above manufacturing method, an extremely fine transistor with a channel length of 100 nm or less, 30 nm or less, or 20 nm or less can be stably manufactured.

なお、トランジスタ10は、ゲート絶縁層150がゲート電極層の側面に接する領域を有
してもよい(図14参照)。
Note that the transistor 10 may have a region where the gate insulating layer 150 is in contact with side surfaces of the gate electrode layer (see FIG. 14).

<トランジスタ10の変形例1:トランジスタ11>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ11について、図15を用いて
説明する。
<Modification 1 of Transistor 10: Transistor 11>
A transistor 11 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIG.

図15(A)、図15(B)、図15(C)は、トランジスタ11の上面図および断面図
である。図15(A)はトランジスタ11の上面図であり、図15(B)は、図15(A
)の一点鎖線B1-B2間、図15(C)は、B3-B4間の断面図である。
15A, 15B, and 15C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 11. FIG. 15A is a top view of the transistor 11, and FIG. 15B is a
), and FIG. 15C is a cross-sectional view between B3-B4.

トランジスタ11は、絶縁層170、絶縁層172を有している点が、トランジスタ10
と異なる。
The transistor 11 has an insulating layer 170 and an insulating layer 172, which is the same as the transistor 10.
different from

《絶縁層170》
絶縁層170には、酸素、窒素、フッ素、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)
、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、
ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タ
ンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。酸化アルミニウム(AlO
)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(SiO)、酸化窒化シリコン(
SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化シリコン(SiN)、酸化
ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸化イットリウム(YO)、
酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO)、酸化ネオジム(NdO
、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO)を一種以上有することが
できる。
<<insulating layer 170>>
The insulating layer 170 contains oxygen, nitrogen, fluorine, aluminum (Al), and magnesium (Mg).
, silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y),
Zirconium (Zr), Lanthanum (La), Neodymium (Nd), Hafnium (Hf), Tantalum (Ta), Titanium (Ti), and the like. Aluminum oxide (AlO
x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (SiO x ), silicon oxynitride (
SiOxNy ) , silicon nitride oxide ( SiNxOy ), silicon nitride ( SiNx ), gallium oxide ( GaOx ), germanium oxide ( GeOx ) , yttrium oxide ( YOx ),
Zirconium oxide (ZrO x ), Lanthanum oxide (LaO x ), Neodymium oxide (NdO x )
, hafnium oxide (HfO x ) and tantalum oxide (TaO x ).

絶縁層170には、酸化アルミニウム(AlO)膜を含むことが好ましい。酸化アルミ
ニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断
効果を有することができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工
程中および作製後において、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
不純物の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123への混入防止
、主成分材料である酸素の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層1
23からの放出防止、絶縁層110からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜
として用いることに適している。
The insulating layer 170 preferably includes an aluminum oxide (AlO x ) film. The aluminum oxide film can have a barrier effect of impermeability of both hydrogen, impurities such as moisture, and oxygen through the film. Therefore, in the aluminum oxide film, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 contain impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor during and after the manufacturing process of the transistor. To prevent contamination, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 1 of oxygen which is the main component material
23 and unnecessary release of oxygen from the insulating layer 110, and is suitable for use as a protective film.

また、絶縁層170は、酸素供給能力を有する膜とすることが好ましい。絶縁層170を
成膜時に、他の酸化物層との界面に混合層を形成し、かつ混合層または他の酸化物層に酸
素が補填され、その後の加熱処理によって、酸素が酸化物半導体層中に拡散し、酸化物半
導体層中の酸素欠損に対して、酸素を補填することができ、トランジスタ特性(例えば、
しきい値電圧、信頼性など)を向上させることができる。
Further, the insulating layer 170 is preferably a film having an oxygen supply capability. When the insulating layer 170 is formed, a mixed layer is formed at an interface with another oxide layer, and the mixed layer or the other oxide layer is filled with oxygen. can be diffused into the oxide semiconductor layer to compensate for oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer, and the transistor characteristics (for example,
threshold voltage, reliability, etc.) can be improved.

また、絶縁層170は、単層でもよいし、積層でもよい。また、絶縁層の上側、あるいは
、下側に他の絶縁層を有してもよい。例えば、酸化マグネシウム、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、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化
イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび
酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。当該絶縁層は、化学量論組成
よりも多くの酸素を有することが好ましい。当該絶縁層から放出される酸素はゲート絶縁
層150、あるいは絶縁層110を経由して酸化物半導体層122のチャネル形成領域に
拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填
することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
Also, the insulating layer 170 may be a single layer or a laminated layer. Further, another insulating layer may be provided above or below the insulating layer. For example, an insulating film containing one or more of magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide is used. be able to. Preferably, the insulating layer has more oxygen than the stoichiometric composition. Oxygen released from the insulating layer can be diffused into the channel formation region of the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 150 or the insulating layer 110; can be supplemented. Therefore, stable electrical characteristics of the transistor can be obtained.

《絶縁層172》
絶縁層172には、酸素(O)、窒素(N)、フッ素(F)、アルミニウム(Al)、マ
グネシウム(Mg)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イ
ットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、ハフ
ニウム(Hf)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)などを有することができる。例えば
、酸化アルミニウム(AlO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化シリコン(Si
)、酸化窒化シリコン(SiO)、窒化酸化シリコン(SiN)、窒化
シリコン(SiN)、酸化ガリウム(GaO)、酸化ゲルマニウム(GeO)、酸
化イットリウム(YO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ランタン(LaO
、酸化ネオジム(NdO)、酸化ハフニウム(HfO)および酸化タンタル(TaO
)を一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁層172は上記材料の積層
であってもよい。
<<insulating layer 172>>
The insulating layer 172 includes oxygen (O), nitrogen (N), fluorine (F), aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), gallium (Ga), germanium (Ge), and yttrium (Y). , zirconium (Zr), lanthanum (La), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), titanium (Ti), and the like. For example, aluminum oxide (AlO x ), magnesium oxide (MgO x ), silicon oxide (Si
O x ), silicon oxynitride (SiO x N y ), silicon oxynitride (SiN x O y ), silicon nitride (SiN x ), gallium oxide (GaO x ), germanium oxide (GeO x ), yttrium oxide (YO x ) ), zirconium oxide (ZrO x ), lanthanum oxide (LaO x )
, neodymium oxide (NdO x ), hafnium oxide (HfO x ) and tantalum oxide (TaO
x ) can be used. Also, the insulating layer 172 may be a laminate of the above materials.

絶縁層172には、酸化アルミニウム膜を含むことが好ましい。酸化アルミニウム膜は、
水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果を有する
ことができる。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作
製後において、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金属
酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123への混入防止、主成分材料
である酸素の金属酸化物層121、酸化物半導体層122、金属酸化物層123からの放
出防止、絶縁層110からの酸素の放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適
している。
The insulating layer 172 preferably contains an aluminum oxide film. The aluminum oxide film is
It can have the effect of blocking both hydrogen, impurities such as moisture, and oxygen from permeating through the membrane. Therefore, in the aluminum oxide film, the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123 contain impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor during and after the manufacturing process of the transistor. As a protective film that has the effects of preventing contamination, preventing oxygen, which is the main component material, from being released from the metal oxide layer 121, the oxide semiconductor layer 122, and the metal oxide layer 123, and preventing oxygen from being released from the insulating layer 110. suitable for use.

また、絶縁層172は、保護膜としての機能を有することができる。絶縁層172を設け
ることで、ゲート絶縁層150に対して、プラズマダメージから保護することができる。
これにより、チャネル近傍に電子トラップが設けられることを抑えることができる。
In addition, the insulating layer 172 can function as a protective film. By providing the insulating layer 172, the gate insulating layer 150 can be protected from plasma damage.
Thereby, it is possible to suppress the provision of electron traps in the vicinity of the channel.

<トランジスタ11の作製方法>
トランジスタ11の作製方法を図16乃至図18を用いて説明する。なお、トランジスタ
10の作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 11>
A method for manufacturing the transistor 11 will be described with reference to FIGS. Note that the description is used for the same part as the manufacturing method of the transistor 10 .

<絶縁層172の形成>
絶縁層110、酸化物半導体層122、ゲート電極層160上に絶縁層172を成膜する
(図16参照)。なお、絶縁層172を成膜することにより、酸化物半導体層122、ゲ
ート絶縁層150がプラズマダメージを受ける恐れがあるため、MOCVD法、ALD法
で成膜したものを用いることが好ましい。
<Formation of insulating layer 172>
An insulating layer 172 is formed over the insulating layer 110, the oxide semiconductor layer 122, and the gate electrode layer 160 (see FIG. 16). Note that the oxide semiconductor layer 122 and the gate insulating layer 150 may be damaged by plasma when the insulating layer 172 is formed; therefore, the insulating layer 172 is preferably formed by MOCVD or ALD.

また、絶縁層172の厚さは、1nm以上30nm以下、好ましくは3nm以上10nm
以下であることが好ましい。
The thickness of the insulating layer 172 is 1 nm to 30 nm, preferably 3 nm to 10 nm.
The following are preferable.

また、絶縁層172を成膜後に酸化物半導体層122に対してイオン添加処理を行っても
よい(図16参照)。これにより、低抵抗領域を形成しつつ、イオン添加処理時の酸化物
半導体層122の損傷を低減することができる(図17参照)。
Further, ion addition treatment may be performed on the oxide semiconductor layer 122 after the insulating layer 172 is formed (see FIG. 16). Accordingly, damage to the oxide semiconductor layer 122 during ion addition treatment can be reduced while forming a low-resistance region (see FIG. 17).

また、絶縁層172は成膜後にリソグラフィ法、ナノインプリンティング法、ドライエッ
チング法などを用いて加工して設けてもよいし、成膜するのみとしてもよい。
In addition, the insulating layer 172 may be processed by a lithography method, a nanoimprinting method, a dry etching method, or the like after film formation, or may be formed only by film formation.

<絶縁層170の形成>
次に、絶縁層172上に、絶縁層170形成する。絶縁層170は単層としてもよいし、
積層としてもよい。絶縁層170は、絶縁層110と同様の材料、方法などを用いて形成
することができる。
<Formation of insulating layer 170>
Next, an insulating layer 170 is formed over the insulating layer 172 . The insulating layer 170 may be a single layer,
It may be laminated. The insulating layer 170 can be formed using a material, a method, and the like that are similar to those of the insulating layer 110 .

また、絶縁層170は、スパッタリング法により形成した酸化アルミニウム膜とすること
が好ましい。スパッタリング法で酸化アルミニウム膜を成膜する際に、成膜時に使用する
ガスとして、酸素ガスを有することが望ましい。また、酸素ガスは1体積%以上100体
積%以下、好ましくは4体積%以上100体積%以下、さらに好ましくは10体積%以上
100体積%以下有することが望ましい。酸素を1体積%以上とすることで、当該絶縁層
中、あるいは接する絶縁層に対して余剰酸素を供給することができる。また、当該層に接
した層に対して酸素を添加することができる。
Further, the insulating layer 170 is preferably an aluminum oxide film formed by a sputtering method. When forming an aluminum oxide film by a sputtering method, it is desirable to use an oxygen gas as a gas for film formation. Moreover, it is desirable that the oxygen gas content is 1% to 100% by volume, preferably 4% to 100% by volume, and more preferably 10% to 100% by volume. When the oxygen content is 1% by volume or more, surplus oxygen can be supplied to the insulating layer or the adjacent insulating layer. Further, oxygen can be added to a layer in contact with the layer.

例えば、絶縁層170として、酸化アルミニウムをターゲットに用いて、スパッタリング
時に用いるガスとして、酸素ガスを50体積%含有させて成膜を行い、厚さは20nm乃
至40nmとすることができる。
For example, the insulating layer 170 can be formed to a thickness of 20 nm to 40 nm by using aluminum oxide as a target and containing 50% by volume of oxygen gas as a sputtering gas.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、代表的には、150℃以上基板
歪み点未満、好ましくは250℃以上500℃以下、更に好ましくは300℃以上450
℃以下とすることができる。当該加熱処理により、絶縁層(例えば絶縁層110)に添加
された酸素173が拡散し、酸化物半導体層122まで移動し、酸化物半導体層122中
に存在する酸素欠損に対して酸素を補填することができる(図18参照)。
Next, heat treatment is preferably performed. The heat treatment is typically performed at a temperature of 150° C. or higher and lower than the substrate strain point, preferably 250° C. or higher and 500° C. or lower, more preferably 300° C. or higher and 450° C. or higher.
°C or less. Due to the heat treatment, the oxygen 173 added to the insulating layer (eg, the insulating layer 110) diffuses and moves to the oxide semiconductor layer 122 to fill oxygen vacancies in the oxide semiconductor layer 122. (See FIG. 18).

本実施の形態では、酸素雰囲気下で、400℃1時間の加熱処理を行うことができる。 In this embodiment mode, heat treatment can be performed at 400° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

なお、当該加熱処理は、その他の工程においても、随時行ってもよい。加熱処理を行うこ
とで、膜中に存在する欠陥を修復することができ、また界面準位密度を低減することがで
きる。
Note that the heat treatment may be performed as needed in other steps. By performing heat treatment, defects existing in the film can be repaired and the interface state density can be reduced.

<酸素の添加>
なお、酸素を添加する処理は、絶縁層170を介した処理に限らず行ってもよい。酸素を
添加する処理は、絶縁層110、絶縁層175に行ってもよいし、第1の金属酸化物膜、
金属酸化物膜123aに対して行ってもよい、その他の絶縁層に行ってもよい。添加する
酸素として、酸素ラジカル、酸素原子、酸素原子イオン、酸素分子イオン等のいずれか一
以上を用いる。また、酸素を添加する方法としては、イオンドーピング法、イオン注入法
、プラズマ浸漬イオン注入法等がある。
<Addition of oxygen>
Note that the treatment for adding oxygen is not limited to the treatment through the insulating layer 170 . The treatment for adding oxygen may be performed on the insulating layer 110 and the insulating layer 175, or on the first metal oxide film,
It may be performed on the metal oxide film 123a or may be performed on other insulating layers. As oxygen to be added, one or more of oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atom ions, oxygen molecular ions, and the like are used. Methods for adding oxygen include an ion doping method, an ion implantation method, a plasma immersion ion implantation method, and the like.

なお、酸素を添加する方法としてイオン注入法を用いる場合、酸素原子イオンを用いても
よいし、酸素分子イオンを用いてもよい。酸素分子イオンを用いると、添加される膜への
ダメージを低減することが可能である。酸素分子イオンは、当該酸素が添加される膜表面
で分離し、酸素原子イオンとなって添加される。酸素分子から酸素原子に分離するために
エネルギーが使用されるため、酸素分子イオンを当該酸素が添加される膜に添加した場合
における酸素原子イオンあたりのエネルギーは、酸素原子イオンを当該酸素が添加される
膜に添加した場合と比較して低い。このため、当該酸素が添加される膜のダメージを低減
できる。
Note that when an ion implantation method is used as a method of adding oxygen, oxygen atomic ions or oxygen molecular ions may be used. Using oxygen molecular ions can reduce damage to the film to which they are added. Oxygen molecule ions are separated on the surface of the film to which the oxygen is added, and are added as oxygen atomic ions. Since energy is used to separate the oxygen atoms from the oxygen molecules, the energy per oxygen atom ion when the oxygen molecule ions are added to the film to which the oxygen is added is It is lower than when added to a membrane with Therefore, damage to the film to which oxygen is added can be reduced.

また、酸素分子イオンを用いることで、当該酸素が添加される膜に注入される酸素原子イ
オンそれぞれのエネルギーが低減するため、酸素原子イオンが注入される位置が浅い。こ
のため、のちの加熱処理において、酸素原子が移動しやすくなり、金属酸化物層121、
酸化物半導体層122、金属酸化物層123に、より多くの酸素を供給することができる
In addition, by using oxygen molecular ions, the energy of each oxygen atomic ion implanted into the film to which oxygen is added is reduced, so the position at which the oxygen atomic ions are implanted is shallow. Therefore, in heat treatment performed later, oxygen atoms are likely to move, and the metal oxide layer 121,
More oxygen can be supplied to the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 123 .

また、酸素分子イオンを注入する場合は、酸素原子イオンを注入する場合と比較して、酸
素原子イオンあたりのエネルギーが低い。このため、酸素分子イオンを用いて注入するこ
とで、加速電圧を高めることが可能であり、スループットを高めることが可能である。ま
た、酸素分子イオンを用いて注入することで、酸素原子イオンを用いた場合と比較して、
ドーズ量を半分にすることが可能である。この結果、スループットを高めることができる
When oxygen molecular ions are implanted, the energy per oxygen atomic ion is lower than when oxygen atomic ions are implanted. Therefore, by implanting using oxygen molecule ions, it is possible to increase the acceleration voltage and increase the throughput. In addition, by implanting using oxygen molecular ions, compared to the case of using oxygen atomic ions,
It is possible to halve the dose. As a result, throughput can be increased.

当該酸素が添加される膜に酸素を添加する場合、当該酸素が添加される膜に酸素原子イオ
ンの濃度プロファイルのピークが位置するような条件を用いて、当該酸素が添加される膜
に酸素を添加することが好ましい。この結果、酸素原子イオンを注入する場合に比べて、
注入時の加速電圧を下げることができ、当該酸素が添加される膜のダメージを低減するこ
とが可能である。即ち、当該酸素が添加される膜の欠陥量を低減することができ、トラン
ジスタの電気特性の変動を抑制することが可能である。さらには、絶縁層110および金
属酸化物層121界面における酸素原子の添加量が、1×1021atoms/cm
満、または1×1020atoms/cm未満、または1×1019atoms/cm
未満となるように、当該酸素が添加される膜に酸素を添加することで、絶縁層110に
添加される酸素の量を低減できる。この結果、当該酸素が添加される膜へのダメージを低
減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を抑制することができる。
When oxygen is added to the film to which oxygen is added, oxygen is added to the film to which oxygen is added using conditions such that the peak of the oxygen atom ion concentration profile is located in the film to which oxygen is added. addition is preferred. As a result, compared to the case of implanting oxygen atomic ions,
Acceleration voltage during implantation can be lowered, and damage to the film to which oxygen is added can be reduced. That is, the amount of defects in the film to which oxygen is added can be reduced, and variations in the electrical characteristics of the transistor can be suppressed. Furthermore, the amount of oxygen atoms added at the interface between the insulating layer 110 and the metal oxide layer 121 is less than 1×10 21 atoms/cm 3 , less than 1×10 20 atoms/cm 3 , or less than 1×10 19 atoms/cm
By adding oxygen to the film to which oxygen is added so that the density is less than 3 , the amount of oxygen added to the insulating layer 110 can be reduced. As a result, damage to the film to which oxygen is added can be reduced, and variations in electrical characteristics of the transistor can be suppressed.

また、酸素を有する雰囲気で発生させたプラズマに当該酸素が添加される膜を曝すプラズ
マ処理(プラズマ浸漬イオン注入法)により、当該酸素が添加される膜に酸素を添加して
もよい。酸素を有する雰囲気としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等の酸
化性気体を有する雰囲気がある。なお、基板100側にバイアスを印加した状態で発生し
たプラズマに当該酸素が添加される膜を曝すことで、当該酸素が添加される膜への酸素添
加量を増加させることが可能であり好ましい。このようなプラズマ処理を行う装置の一例
として、アッシング装置がある。
Alternatively, oxygen may be added to the film to which oxygen is added by plasma treatment (plasma immersion ion implantation method) in which the film to which oxygen is added is exposed to plasma generated in an oxygen-containing atmosphere. The atmosphere containing oxygen includes an atmosphere containing an oxidizing gas such as oxygen, ozone, dinitrogen monoxide, or nitrogen dioxide. Note that by exposing the film to which oxygen is added to plasma generated with a bias applied to the substrate 100 side, the amount of oxygen added to the film to which oxygen is added can be increased, which is preferable. An example of an apparatus for performing such plasma processing is an ashing apparatus.

例えば、加速電圧を60kVとし、ドーズ量が2×1016/cmの酸素分子イオンを
イオン注入法により絶縁層110に添加することができる。
For example, oxygen molecule ions can be added to the insulating layer 110 by an ion implantation method with an acceleration voltage of 60 kV and a dose of 2×10 16 /cm 2 .

上記工程は、トランジスタ10、その他のトランジスタにも適用することができる。 The above steps can also be applied to transistor 10 and other transistors.

以上により、酸化物半導体膜の局在準位密度が低減され、優れた電気特性を有するトラン
ジスタを作製することができる。また、経時変化やストレス試験による電気特性の変動の
少ない、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
As described above, the localized level density of the oxide semiconductor film is reduced, and a transistor having excellent electrical characteristics can be manufactured. In addition, a highly reliable transistor whose electric characteristics change little over time or due to stress tests can be manufactured.

<トランジスタ10の変形例2:トランジスタ12>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ12について、図19を用いて
説明する。
<Modification 2 of Transistor 10: Transistor 12>
A transistor 12 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIG.

図19(A)、図19(B)、図19(C)は、トランジスタ12の上面図および断面図
である。図19(A)はトランジスタ12の上面図であり、図19(B)は、図19(A
)の一点鎖線C1-C2間、図19(C)は、C3-C4間の断面図である。
19A, 19B, and 19C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 12. FIG. 19A is a top view of the transistor 12, and FIG. 19B is a
), and FIG. 19C is a cross-sectional view between C3-C4.

トランジスタ12は、金属酸化物層123が酸化物半導体層122、金属酸化物層121
の側端部と接する領域を有している点と、導電層165を有している点で、トランジスタ
10と異なる。なお、トランジスタ12では、金属酸化物膜123aをエッチングせずに
金属酸化物層123として用いることができる。
In the transistor 12 , the metal oxide layer 123 is the oxide semiconductor layer 122 and the metal oxide layer 121 .
It differs from the transistor 10 in that it has a region in contact with the side edge of the transistor and that it has a conductive layer 165 . Note that in the transistor 12, the metal oxide film 123a can be used as the metal oxide layer 123 without being etched.

《導電層165》
導電層165には、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、
コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム
(Zr)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、
タングステン(W)、またはシリコンなどの材料を有することができる。また、導電層1
65は、積層とすることができる。積層とする場合、例えば上記材料の窒化物など、窒素
を含んだ材料と組み合わせて用いてもよい。
<<Conductive layer 165>>
The conductive layer 165 includes, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr),
Cobalt (Co), Nickel (Ni), Copper (Cu), Yttrium (Y), Zirconium (Zr), Molybdenum (Mo), Ruthenium (Ru), Silver (Ag), Tantalum (Ta),
It can have materials such as tungsten (W), or silicon. Also, the conductive layer 1
65 can be a laminate. In the case of lamination, it may be used in combination with a material containing nitrogen, such as a nitride of the above material.

導電層165は、ゲート電極層160と同様の機能を有することができる。導電層165
は、ゲート電極層160と同電位を印加する構成としてもよいし、異なる電位を印加でき
る構成としてもよい。
The conductive layer 165 can have a function similar to that of the gate electrode layer 160 . Conductive layer 165
may be applied with the same potential as the gate electrode layer 160 or may be applied with a different potential.

また、導電層165を設けたトランジスタ12においては、絶縁層110はゲート絶縁層
150と同様の構造、および機能を有することができる。
Further, in the transistor 12 provided with the conductive layer 165 , the insulating layer 110 can have a structure and function similar to those of the gate insulating layer 150 .

上記構造とすることで、イオン添加処理時の酸化物半導体層の損傷を抑制することができ
る(図20、図21参照)。また、酸化物半導体層122の側端部を保護することができ
る。以上により、トランジスタの電気特性を安定させることができる。
With the above structure, damage to the oxide semiconductor layer during ion addition treatment can be suppressed (see FIGS. 20 and 21). In addition, the side edges of the oxide semiconductor layer 122 can be protected. As described above, the electrical characteristics of the transistor can be stabilized.

<トランジスタ10の変形例3:トランジスタ13>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ13について、図22を用いて
説明する。
<Modification 3 of Transistor 10: Transistor 13>
A transistor 13 having a shape different from that of the transistor 10 illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIG.

図22(A)、図22(B)、図22(C)は、トランジスタ13の上面図および断面図
である。図22(A)はトランジスタ13の上面図であり、図22(B)は、図22(A
)の一点鎖線D1-D2間、図22(C)は、D3-D4間の断面図である。
22A, 22B, and 22C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 13. FIG. 22A is a top view of the transistor 13, and FIG. 22B is a
), and FIG. 22C is a cross-sectional view between D3-D4.

トランジスタ13は、トランジスタ12と同様に金属酸化物層123が酸化物半導体層1
22、金属酸化物層121のチャネル長方向、およびチャネル幅方向の側端部と接する領
域を有する点に加えて、ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152を有している点で、ト
ランジスタ10と異なる。
In the transistor 13, similarly to the transistor 12, the metal oxide layer 123 is the oxide semiconductor layer 1.
22. The transistor 10 is different from the transistor 10 in that it has a gate insulating layer 151 and a gate insulating layer 152 in addition to having regions in contact with the side ends of the metal oxide layer 121 in the channel length direction and the channel width direction. different.

《ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152》
ゲート絶縁層151、ゲート絶縁層152は、ゲート絶縁層150と同様の材料を有する
ことができる。
<<Gate Insulating Layer 151, Gate Insulating Layer 152>>
The gate insulating layers 151 and 152 can have a material similar to that of the gate insulating layer 150 .

なお、ゲート絶縁層151と、ゲート絶縁層152は、異なる材料で構成されることが好
ましい。
Note that the gate insulating layer 151 and the gate insulating layer 152 are preferably formed using different materials.

<トランジスタ13の作製方法>
トランジスタ13の作製方法を図23乃至図26を用いて説明する。なお、トランジスタ
10の作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 13>
A method for manufacturing the transistor 13 is described with reference to FIGS. Note that the description is used for the same part as the manufacturing method of the transistor 10 .

<ゲート絶縁層151の形成>
金属酸化物層123成膜後にゲート絶縁層151を形成する。ゲート絶縁層151は、ス
パッタリング法、CVD法(プラズマCVD法、MOCVD法、ALD法など)、MBE
法、などを用いて形成することができる。
<Formation of Gate Insulating Layer 151>
A gate insulating layer 151 is formed after the metal oxide layer 123 is formed. The gate insulating layer 151 is formed by sputtering, CVD (plasma CVD, MOCVD, ALD, etc.), MBE, etc.
It can be formed using a method, etc.

例えば、ゲート絶縁層151としてALD法により酸化アルミニウムを5nm形成するこ
とができる。
For example, as the gate insulating layer 151, aluminum oxide can be formed with a thickness of 5 nm by an ALD method.

<絶縁膜152aの形成>
次に、溝部174形成後のゲート絶縁層151、絶縁層175上に絶縁膜152a、導電
膜160aを形成する(図23参照)。
<Formation of insulating film 152a>
Next, an insulating film 152a and a conductive film 160a are formed over the gate insulating layer 151 and the insulating layer 175 after the groove portion 174 is formed (see FIG. 23).

絶縁膜152aは、トランジスタ10の第2の絶縁膜150aと同様の材料、方法を用い
て形成することができる。例えば、絶縁膜152aとしてプラズマCVD法により酸化シ
リコンを5nm形成することができる。
The insulating film 152a can be formed using a material and a method similar to those of the second insulating film 150a of the transistor 10 . For example, silicon oxide can be formed with a thickness of 5 nm by plasma CVD as the insulating film 152a.

次に、絶縁膜152a、導電膜160aに対して平坦化処理を行うことにより、ゲート電
極層160、絶縁層152bを形成する(図24参照)。
Next, the insulating film 152a and the conductive film 160a are subjected to planarization treatment to form the gate electrode layer 160 and the insulating layer 152b (see FIG. 24).

次に、絶縁層175をゲート絶縁層151が露出するまでエッチングする。さらに絶縁層
152bにおいて、ゲート電極層160と重畳する部分を除いてエッチングすることで、
ゲート絶縁層152を形成することができる。
The insulating layer 175 is then etched until the gate insulating layer 151 is exposed. Further, the insulating layer 152b is etched except for a portion overlapping with the gate electrode layer 160, whereby
A gate insulating layer 152 may be formed.

次に、イオン167の添加処理を行う(図25参照)。イオン添加処理は、ゲート絶縁層
151、金属酸化物層123を介して、酸化物半導体層122に対して行い、低抵抗領域
125を形成する(図26参照)。
Next, addition processing of ions 167 is performed (see FIG. 25). The ion addition treatment is performed on the oxide semiconductor layer 122 through the gate insulating layer 151 and the metal oxide layer 123 to form the low-resistance region 125 (see FIG. 26).

上記方法を用いることで、例えば微細なトランジスタ作製時の金属酸化物層123などの
膜減りを低減できる。また、加工時に生じる損傷を低減することができる。したがって、
微細なトランジスタにおいても、形状を安定化させることができる。また、トランジスタ
の電気特性の向上並びに信頼性を向上させることができる。
By using the above method, for example, film reduction of the metal oxide layer 123 or the like during fabrication of a fine transistor can be reduced. In addition, damage caused during processing can be reduced. therefore,
Even in a fine transistor, the shape can be stabilized. In addition, the electrical characteristics and reliability of the transistor can be improved.

<トランジスタ10の変形例4:トランジスタ14>
図1に示すトランジスタ10と形状の異なるトランジスタ14について、図27を用いて
説明する。
<Modification 4 of Transistor 10: Transistor 14>
A transistor 14 having a shape different from that of the transistor 10 shown in FIG. 1 is described with reference to FIG.

図27(A)、図27(B)、図27(C)は、トランジスタ14の上面図および断面図
である。図27(A)はトランジスタ14の上面図であり、図27(B)は、図27(A
)の一点鎖線E1-E2間、図27(C)は、E3-E4間の断面図である。
27A, 27B, and 27C are a top view and a cross-sectional view of the transistor 14. FIG. 27A is a top view of the transistor 14, and FIG. 27B is a
), and FIG. 27C is a cross-sectional view between E3-E4.

トランジスタ14は、金属酸化物層123の形状は、トランジスタ12と同様であり、ゲ
ート絶縁層150がゲート電極層160の側面と接する領域を有する点と、ゲート絶縁層
150の側面と接する領域を有する絶縁層176が設けられている点でトランジスタ10
と異なる。
The shape of the metal oxide layer 123 of the transistor 14 is similar to that of the transistor 12, and the gate insulating layer 150 has a region in contact with the side surface of the gate electrode layer 160 and a region in contact with the side surface of the gate insulating layer 150. Transistor 10 in that insulating layer 176 is provided.
different from

なお、基板の底面と、ゲート電極層の側面の接線とがなす角(勾配)は、30度以上90
度未満、好ましくは、60度以上85度以下とすることが望ましい。
Note that the angle (gradient) between the bottom surface of the substrate and the tangential line of the side surface of the gate electrode layer is 30 degrees or more and 90 degrees.
less than degrees, preferably 60 degrees or more and 85 degrees or less.

上記構造とすることにより、低抵抗領域125の大きさの制御が可能となる。これにより
、オン電流を向上させることができる。また、トランジスタの特性を安定させることがで
きる。
With the above structure, the size of the low resistance region 125 can be controlled. Thereby, the ON current can be improved. Moreover, the characteristics of the transistor can be stabilized.

《絶縁層176》
絶縁層176は、絶縁層175と同様の材料を用いて構成できる。
<<insulating layer 176>>
The insulating layer 176 can be formed using a material similar to that of the insulating layer 175 .

<トランジスタ14の作製方法>
トランジスタ14の作製方法を図28乃至図32を用いて説明する。なお、他のトランジ
スタの作製方法と同様の部分については、当該説明を援用する。
<Method for Manufacturing Transistor 14>
A method for manufacturing the transistor 14 is described with reference to FIGS. Note that the description is used for the same part as that of the manufacturing method of another transistor.

金属酸化物膜123a上に設けられた溝部174に第2の絶縁膜150a、導電膜160
aを形成する(図28参照)。
The second insulating film 150a and the conductive film 160 are formed in the trench 174 provided on the metal oxide film 123a.
a (see FIG. 28).

なお、図28は、作製過程は図7と同様であるが、溝部174を設ける上で、基板底面と
絶縁層175の側面の接線がなす角(勾配)は、30度以上90度未満、好ましくは、6
0度以上85度以下とすることが望ましい。
In FIG. 28, the manufacturing process is the same as that in FIG. 7; is 6
It is desirable that the angle be 0 degrees or more and 85 degrees or less.

上記勾配については、絶縁層175と対向する導電膜160aにおいても同様に得ること
ができる。
The gradient can also be obtained in the conductive film 160a facing the insulating layer 175 in the same manner.

次に、第2の絶縁膜150a、導電膜160aに対して、平坦化処理を行うことにより、
ゲート電極層160、ゲート絶縁層150を形成する(図29参照)。
Next, by performing planarization processing on the second insulating film 150a and the conductive film 160a,
A gate electrode layer 160 and a gate insulating layer 150 are formed (see FIG. 29).

次に、ゲート電極層160をマスクとして、絶縁層175、ゲート絶縁層150をドライ
エッチング法により、金属酸化物膜123aが露出するまでエッチングすることにより金
属酸化物層123、および絶縁層176を形成する(図30参照)。絶縁層176は、側
壁としての機能を有することができる。上記工程を用いることで、側壁を自己整合的に形
成することができるため、工程を簡略化することができる。
Next, using the gate electrode layer 160 as a mask, the insulating layer 175 and the gate insulating layer 150 are etched by a dry etching method until the metal oxide film 123a is exposed, thereby forming the metal oxide layer 123 and the insulating layer 176. (see FIG. 30). The insulating layer 176 can function as sidewalls. By using the above steps, the sidewalls can be formed in a self-aligned manner, so that the steps can be simplified.

次に、イオン167の添加処理をすることにより(図31参照)、低抵抗領域を形成する
(図32参照)。
Next, ion 167 is added (see FIG. 31) to form a low resistance region (see FIG. 32).

なお、絶縁層176を有することにより、例えば加熱処理を行った際にイオンが横方向に
拡散し、イオン添加していない領域がそのイオンを含んでも、低抵抗領域の大きさを制御
することが可能である。したがって、チャネル長が100nm以下、60nm以下、30
nm以下、20nm以下となってもトランジスタを安定して動作させることができる。
Note that since the insulating layer 176 is provided, the size of the low-resistance region can be controlled even if ions are diffused in the lateral direction when heat treatment is performed, and the ions are included in a region to which ions are not added. It is possible. Therefore, the channel length is 100 nm or less, 60 nm or less, 30
Even if the thickness is 20 nm or less, the transistor can be stably operated.

なお、トランジスタ14は、絶縁層170を設ける構成としてもよい(図33参照)。ま
た、金属酸化物層123を加工して設ける構成としてもよい(図34参照)。また、ゲー
ト絶縁層150となる第2の絶縁膜150aを溝部形成前に設ける構成としてもよい(図
35参照)。
Note that the transistor 14 may have a structure in which an insulating layer 170 is provided (see FIG. 33). Alternatively, the metal oxide layer 123 may be processed and provided (see FIG. 34). Alternatively, the second insulating film 150a to be the gate insulating layer 150 may be provided before the trench is formed (see FIG. 35).

また、基板底面とゲート電極層160の側面の接線がなす角(勾配)が大きい場合には、
絶縁層176を有しない領域を有する場合がある(図36参照)。
Further, when the angle (gradient) formed by the tangent line between the bottom surface of the substrate and the side surface of the gate electrode layer 160 is large,
It may have a region without the insulating layer 176 (see FIG. 36).

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態2)
<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
(Embodiment 2)
<Structure of oxide semiconductor>
The structure of an oxide semiconductor is described below.

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、CAAC-OS(c-axis-aligned
crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semicond
uctor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-l
ike oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがあ
る。
Oxide semiconductors are classified into single-crystal oxide semiconductors and non-single-crystal oxide semiconductors. As a non-single-crystal oxide semiconductor, CAAC-OS (c-axis-aligned
crystalline oxide semiconductor), polycrystalline oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor)
uctor), pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-l
ike oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半
導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC-
OS、多結晶酸化物半導体およびnc-OSなどがある。
From another point of view, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. As the crystalline oxide semiconductor, a single crystal oxide semiconductor, CAAC-
OS, polycrystalline oxide semiconductor, nc-OS, and the like.

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置
が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さな
い、などといわれている。
Amorphous structures are generally isotropic with no inhomogeneous structures, metastable states with unfixed atomic arrangements, flexible bond angles, and short-range order but long-range order. It is said that it does not have

即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous
)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構
造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a-li
ke OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。
不安定であるという点では、a-like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い
That is, a stable oxide semiconductor is completely amorphous.
) cannot be called an oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (eg, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a perfect amorphous oxide semiconductor. On the other hand, a-li
The ke OS is not isotropic but has an unstable structure with voids.
In terms of being unstable, an a-like OS is physically similar to an amorphous oxide semiconductor.

<CAAC-OS>
まずは、CAAC-OSについて説明する。
<CAAC-OS>
First, the CAAC-OS will be explained.

CAAC-OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半
導体の一種である。
A CAAC-OS is a type of oxide semiconductor including a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).

CAAC-OSをX線回折(XRD:X-Ray Diffraction)によって解
析した場合について説明する。例えば、空間群R-3mに分類されるInGaZnO
結晶を有するCAAC-OSに対し、out-of-plane法による構造解析を行う
と、図37(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピー
クは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC-OSで
は、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC-OSの膜を形成する面(被形成面ともい
う。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°
近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近
傍のピークは、空間群Fd-3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC
-OSは、該ピークを示さないことが好ましい。
A case where CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD) will be described. For example, when structural analysis is performed by the out-of-plane method on a CAAC-OS having InGaZnO 4 crystals classified into the space group R-3m, the diffraction angle (2θ) is as shown in FIG. A peak appears near 31°. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has c-axis orientation, and the c-axis is the plane on which the CAAC-OS film is formed. It is also called a plane), or it can be confirmed that it is oriented in a direction substantially perpendicular to the top surface. 2θ is 31°
In addition to peaks in the vicinity, a peak may also appear near 2θ of 36°. The peak near 2θ of 36° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC
-OS preferably does not show this peak.

一方、CAAC-OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin-pla
ne法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、I
nGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し
、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を
行っても、図37(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZ
nOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図37(C)に示すよ
うに(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、X
RDを用いた構造解析から、CAAC-OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であるこ
とが確認できる。
On the other hand, the in-pla method in which X-rays are incident on the CAAC-OS from a direction parallel to the formation surface
Structural analysis by the ne method reveals a peak near 2θ of 56°. This peak is I
It is assigned to the (110) plane of the crystal of nGaZnO4 . Further, even if 2θ is fixed around 56° and the sample is rotated around the normal vector of the sample surface (φ axis) and analysis (φ scan) is performed, a clear image is obtained as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, single crystal InGaZ
When φ scanning is performed with 2θ fixed around 56° for nO 4 , six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. 37(C). Therefore, X
Structural analysis using RD confirms that the orientation of the a-axis and b-axis of CAAC-OS is irregular.

次に、電子回折によって解析したCAAC-OSについて説明する。例えば、InGaZ
nOの結晶を有するCAAC-OSに対し、CAAC-OSの被形成面に平行にプロー
ブ径が300nmの電子線を入射させると、図37(D)に示すような回折パターン(制
限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、In
GaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回
折によっても、CAAC-OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面
または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に
垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図37(E)
に示す。図37(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プロー
ブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC-OSに含まれるペレ
ットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図37(E)における第
1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因する
と考えられる。また、図37(E)における第2リングは(110)面などに起因すると
考えられる。
Next, CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, InGaZ
When an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the CAAC-OS having nO 4 crystals in parallel with the surface on which the CAAC-OS is formed, a diffraction pattern (selected area electron diffraction) as shown in FIG. Also called a pattern.) may appear. In this diffraction pattern, In
A spot due to the (009) plane of the GaZnO 4 crystal is included. Therefore, electron diffraction also shows that the pellets contained in CAAC-OS have c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or upper surface. On the other hand, the diffraction pattern when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface is shown in FIG.
shown in A ring-shaped diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm also shows that the a-axis and b-axis of the pellet contained in CAAC-OS do not have orientation. The first ring in FIG. 37(E) is considered to be caused by the (010) and (100) planes of the InGaZnO 4 crystal. Also, the second ring in FIG. 37(E) is considered to be caused by the (110) plane or the like.

また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Mi
croscope)によって、CAAC-OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像
(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる
。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウ
ンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC
-OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
In addition, a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Mi
A plurality of pellets can be confirmed by observing a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS bright-field image and a diffraction pattern using a croscope. On the other hand, even with a high-resolution TEM image, there are cases where the boundaries between pellets, that is, crystal grain boundaries (also called grain boundaries) cannot be clearly confirmed. Therefore, the CAAC
It can be said that -OS is less likely to cause a decrease in electron mobility due to grain boundaries.

図38(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC-OSの断面の高分解能T
EM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Ab
erration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分
解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、
例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM-ARM200Fなどによ
って観察することができる。
FIG. 38(A) shows a high resolution T of the cross section of CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface.
EM images are shown. For observation of high-resolution TEM images, spherical aberration correction (Spherical Ab
Erration Corrector) function was used. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly called a Cs-corrected high-resolution TEM image. The Cs-corrected high-resolution TEM image is
For example, it can be observed with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd., or the like.

図38(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することが
できる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわ
かる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこと
もできる。また、CAAC-OSを、CANC(C-Axis Aligned nan
ocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC
-OSの被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC-OSの被形成面または上
面と平行となる。
From FIG. 38A, a pellet, which is a region in which metal atoms are arranged in layers, can be confirmed. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, the pellets can also be referred to as nanocrystals (nc). In addition, CAAC-OS can be replaced with CANC (C-Axis Aligned Nan
It can also be referred to as an oxide semiconductor having ocrystals. Pellets are CAAC
-It reflects the unevenness of the formation surface or upper surface of the OS, and is parallel to the formation surface or upper surface of the CAAC-OS.

また、図38(B)および図38(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC
-OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図38(D)および図38(E)は、
それぞれ図38(B)および図38(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理
の方法について説明する。まず、図38(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast
Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得
したFFT像において原点を基準に、2.8nm-1から5.0nm-1の間の範囲を残
すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:
Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像
処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフ
ィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子
配列を示している。
38(B) and 38(C) show CAAC observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface.
- Shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of the plane of OS. FIGS. 38(D) and 38(E) are
38(B) and 38(C) are image-processed images. The image processing method will be described below. First, the fast Fourier transform (FFT: Fast
An FFT image is obtained by Fourier Transform) processing. Next, mask processing is performed to leave a range between 2.8 nm −1 and 5.0 nm −1 on the basis of the origin in the acquired FFT image. Next, the masked FFT image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT:
An image processed by Inverse Fast Fourier Transform processing is acquired. An image obtained in this way is called an FFT filtered image. The FFT-filtered image is an image obtained by extracting periodic components from the Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.

図38(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、
一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部であ
る。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレ
ットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
In FIG. 38(D), broken lines indicate portions where the lattice arrangement is disturbed. The area enclosed by the dashed line is
One pellet. And the part shown by the broken line is a connection part of a pellet and a pellet. Since the dashed line indicates a hexagonal shape, it can be seen that the pellets have a hexagonal shape. Note that the shape of the pellet is not limited to a regular hexagon, and is often a non-regular hexagon.

図38(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線
で示し、格子配列の向きを破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確
認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形
が形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制しているこ
とがわかる。これは、CAAC-OSが、a-b面方向において原子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。
In FIG. 38(E), a dotted line indicates a region between a region with a uniform lattice arrangement and another region with a uniform lattice arrangement, and a dashed line indicates the orientation of the lattice arrangement. A clear grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. A distorted hexagon can be formed by connecting grid points around the grid point near the dotted line. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate strain due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. Conceivable.

以上に示すように、CAAC-OSは、c軸配向性を有し、かつa-b面方向において複
数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CA
AC-OSを、CAA crystal(c-axis-aligned a-b-pl
ane-anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもでき
る。
As described above, CAAC-OS has a c-axis orientation and a distorted crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction. Therefore, CA
AC-OS to CAA crystal (c-axis-aligned a-b-pl
It can also be referred to as an oxide semiconductor having an ane-anchored crystal.

CAAC-OSは結晶性の高い酸化物半導体である。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。
CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be degraded by the contamination of impurities or the generation of defects, CAAC-OS can
It can also be said to be an oxide semiconductor with few oxygen vacancies.

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素
との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二
酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
Note that the impurities are elements other than the main component of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, and transition metal elements. For example, an element such as silicon that has a stronger bonding force with oxygen than a metal element that constitutes an oxide semiconductor deprives the oxide semiconductor of oxygen, thereby disturbing the atomic arrangement of the oxide semiconductor and lowering the crystallinity. be a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, and carbon dioxide have large atomic radii (or molecular radii), and thus disturb the atomic arrangement of the oxide semiconductor and deteriorate crystallinity.

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップと
なる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
When an oxide semiconductor has impurities or defects, its characteristics may change due to light, heat, or the like. For example, an impurity contained in an oxide semiconductor may act as a carrier trap or a carrier generation source. For example, oxygen vacancies in an oxide semiconductor may trap carriers or generate carriers by trapping hydrogen.

不純物および酸素欠損の少ないCAAC-OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。具体的には、8×1011個/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、
さらに好ましくは1×1010個/cm未満であり、1×10-9個/cm以上のキ
ャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性
または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC-OSは、不純物濃度が低く
、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, less than 8×10 11 /cm 3 , preferably less than 1×10 11 /cm 3 ,
More preferably, the carrier density is less than 1×10 10 /cm 3 , and the oxide semiconductor can have a carrier density of 1×10 −9 /cm 3 or more. Such an oxide semiconductor is called a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. CAAC-OS has a low impurity concentration and a low defect level density. That is, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics.

<nc-OS>
次に、nc-OSについて説明する。
<nc-OS>
Next, the nc-OS will be explained.

nc-OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc-OSに対し
、out-of-plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない
。即ち、nc-OSの結晶は配向性を有さない。
A case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when nc-OS is subjected to structural analysis by the out-of-plane method, no peak indicating orientation appears. That is, the crystal of nc-OS has no orientation.

また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc-OSを薄片化し、厚さが34nm
の領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図39
(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測され
る。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナ
ノビーム電子回折パターン)を図39(B)に示す。図39(B)より、リング状の領域
内に複数のスポットが観測される。したがって、nc-OSは、プローブ径が50nmの
電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入
射させることでは秩序性が確認される。
Also, for example, an nc-OS having a crystal of InGaZnO 4 is thinned to a thickness of 34 nm.
When an electron beam with a probe diameter of 50 nm is made incident parallel to the surface to be formed into the area of , as shown in FIG.
A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown in (A) is observed. FIG. 39B shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. A plurality of spots are observed in the ring-shaped region from FIG. 39(B). Therefore, the orderliness of the nc-OS is not confirmed when an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident, but the orderliness is confirmed when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident.

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、
図39(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測
される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc-OSが秩序
性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているた
め、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
Further, when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on a region with a thickness of less than 10 nm,
As shown in FIG. 39(C), an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagonal pattern may be observed. Therefore, it can be seen that the nc-OS has highly ordered regions, that is, crystals, in the thickness range of less than 10 nm. In addition, since the crystals are oriented in various directions, there are regions where regular electron diffraction patterns are not observed.

図39(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc-OSの断面のCs補正高分
解能TEM像を示す。nc-OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所など
のように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない
領域と、を有する。nc-OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさで
あり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが1
0nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro
crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがあ
る。nc-OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合
がある。なお、ナノ結晶は、CAAC-OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性
がある。そのため、以下ではnc-OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
FIG. 39D shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of the cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the formation surface. In a high-resolution TEM image, the nc-OS has regions where crystal parts can be confirmed, such as the parts indicated by auxiliary lines, and regions where clear crystal parts cannot be confirmed. The crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm or more and 10 nm or less, and in particular, often has a size of 1 nm or more and 3 nm or less. In addition, the size of the crystal part is 1
An oxide semiconductor having a thickness of more than 0 nm and less than or equal to 100 nm is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor (micro
It is sometimes called a crystalline oxide semiconductor). In the nc-OS, for example, in a high-resolution TEM image, crystal grain boundaries may not be clearly confirmed. Note that the nanocrystals may share the same origin as the pellets in CAAC-OS. Therefore, the crystal part of the nc-OS may be called a pellet hereinafter.

このように、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
、異なるペレット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。
Thus, the nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, an nc-OS may be indistinguishable from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc-OSを、
RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物
半導体、またはNANC(Non-Aligned nanocrystals)を有す
る酸化物半導体と呼ぶこともできる。
In addition, since the crystal orientation does not have regularity between pellets (nanocrystals), nc-OS is
It can also be referred to as an oxide semiconductor having random aligned nanocrystals (RANC) or an oxide semiconductor having non-aligned nanocrystals (NANC).

nc-OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、
nc-OSは、a-like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、nc-OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、nc-OSは、CAAC-OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
An nc-OS is an oxide semiconductor with higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. for that reason,
An nc-OS has a lower defect level density than an a-like OS and an amorphous oxide semiconductor. However, nc-OS shows no regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, the nc-OS has a higher defect level density than the CAAC-OS.

<a-like OS>
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>
An a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between an nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.

図40に、a-like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図40(A)は
電子照射開始時におけるa-like OSの高分解能断面TEM像である。図40(B
)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa-like OSの高
分解能断面TEM像である。図40(A)および図40(B)より、a-like OS
は電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また
、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密
度領域と推測される。
FIG. 40 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 40A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. Figure 40 (B
) is a high-resolution cross-sectional TEM image of an a-like OS after electron (e ) irradiation of 4.3×10 8 e /nm 2 . From FIGS. 40A and 40B, a-like OS
It can be seen that striped bright regions extending in the longitudinal direction are observed from the start of electron irradiation. Also, it can be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright regions are presumed to be void or low-density regions.

鬆を有するため、a-like OSは、不安定な構造である。以下では、a-like
OSが、CAAC-OSおよびnc-OSと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
Due to the voids, the a-like OS is an unstable structure. Below, a-like
Structural changes due to electron irradiation are shown to show that OS has an unstable structure compared to CAAC-OS and nc-OS.

試料として、a-like OS、nc-OSおよびCAAC-OSを準備する。いずれ
の試料もIn-Ga-Zn酸化物である。
As samples, a-like OS, nc-OS and CAAC-OS are prepared. All samples are In--Ga--Zn oxides.

まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料
は、いずれも結晶部を有する。
First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. A high-resolution cross-sectional TEM image shows that each sample has a crystal part.

なお、InGaZnOの結晶の単位格子は、In-O層を3層有し、またGa-Zn-
O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている
。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同
程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以
下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZn
の結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa-b面に対応す
る。
It should be noted that the unit cell of the crystal of InGaZnO 4 has three In—O layers, and the Ga—Zn—
It is known to have a structure in which a total of nine layers, including six O layers, are layered in the c-axis direction. The spacing between these adjacent layers is about the same as the lattice spacing (also referred to as the d value) of the (009) plane, which is found to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, hereinafter, the portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less will be referred to as InGaZn.
It was regarded as the crystalline part of O4 . The lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.

図41は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である
。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図41より、a-like
OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなってい
くことがわかる。図41より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさ
だった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e)の累積照射量が4.2×10
/nmにおいては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc
-OSおよびCAAC-OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10
/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図41よ
り、電子の累積照射量によらず、nc-OSおよびCAAC-OSの結晶部の大きさは、
それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射お
よびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H-9000NARを用いた。電子線照射条件
は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域
の直径を230nmとした。
FIG. 41 shows an example of investigating the average size of crystal parts (22 to 30 points) of each sample. The length of the lattice fringes described above is the size of the crystal part. From FIG. 41, a-like
It can be seen that the crystal part of the OS increases in size according to the cumulative dose of electrons used for obtaining a TEM image. From FIG. 41, the crystal part (also referred to as the initial nucleus), which had a size of about 1.2 nm at the initial stage of observation by TEM, was reduced to a cumulative dose of 4.2×10 8 e of electrons (e ).
It can be seen that the film grows to a size of about 1.9 nm at /nm 2 . On the other hand, nc
-OS and CAAC-OS, the cumulative dose of electrons from the start of electron irradiation is 4.2×10 8
It can be seen that there is no change in the crystal part size in the range up to e /nm 2 . From FIG. 41, regardless of the cumulative dose of electrons, the crystal part size of nc-OS and CAAC-OS is
It can be seen that they are about 1.3 nm and about 1.8 nm, respectively. For electron beam irradiation and TEM observation, Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7×10 5 e /(nm 2 ·s), and a diameter of the irradiated region of 230 nm.

このように、a-like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
る。一方、nc-OSおよびCAAC-OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られない。即ち、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、
不安定な構造であることがわかる。
Thus, in the a-like OS, the growth of the crystal part may be observed by electron irradiation. On the other hand, in nc-OS and CAAC-OS, almost no growth of crystal parts due to electron irradiation is observed. That is, compared to nc-OS and CAAC-OS, a-like OS has
It can be seen that the structure is unstable.

また、鬆を有するため、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、a-like OSの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc-OSの密度およびCAAC
-OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満である。単結晶
の密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
In addition, since it has voids, the a-like OS has a lower density structure than the nc-OS and CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of a single crystal having the same composition. Also, the density of nc-OS and CAAC
The density of -OS is 92.3% or more and less than 100% of the density of a single crystal having the same composition. It is difficult to form a film of an oxide semiconductor whose density is less than 78% of that of a single crystal.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmである。よっ
て、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、a-like OSの密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満である。また
、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、
nc-OSの密度およびCAAC-OSの密度は5.9g/cm以上6.3g/cm
未満である。
For example, in an oxide semiconductor satisfying In:Ga:Zn=1:1:1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral crystal structure is 6.357 g/cm 3 . Therefore, for example, in an oxide semiconductor satisfying In:Ga:Zn=1:1:1 [atomic ratio], the density of a-like OS is 5.0 g/cm 3 or more and less than 5.9 g/cm 3 . Further, for example, in an oxide semiconductor satisfying In:Ga:Zn=1:1:1 [atomic ratio],
Density of nc-OS and density of CAAC-OS are 5.9 g/cm 3 or more and 6.3 g/cm 3
is less than

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わ
せることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所
望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、
加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組
み合わせて見積もることが好ましい。
If single crystals with the same composition do not exist, the density corresponding to a single crystal with a desired composition can be estimated by combining single crystals with different compositions at an arbitrary ratio. The density corresponding to the single crystal with the desired composition is, with respect to the ratio of combining the single crystals with different compositions,
It can be estimated using a weighted average. However, it is preferable to estimate the density by combining as few kinds of single crystals as possible.

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。な
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a-like OS、nc-OS、
CAAC-OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
As described above, oxide semiconductors have various structures and have various characteristics. Note that the oxide semiconductor is, for example, an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS,
A laminated film containing two or more of the CAAC-OS may be used.

<CACの構成>
以下では、本発明の一態様に用いることができるCAC(Cloud Aligned
Complementary)-OSの構成について説明する。
<Configuration of CAC>
In the following, CAC (Cloud Aligned
Complementary) - The configuration of the OS will be explained.

CACとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好
ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成であ
る。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し
、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2
nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともい
う。
CAC is, for example, one structure of a material in which elements constituting an oxide semiconductor are unevenly distributed with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less, or in the vicinity thereof. In the following description, one or more metal elements are unevenly distributed in the oxide semiconductor, and the region containing the metal element is 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 2
A mixed state of nanometers or less in size or in the vicinity thereof is also referred to as a mosaic shape or a patch shape.

例えば、In-Ga-Zn酸化物(以下、IGZOともいう。)におけるCAC-IGZ
Oとは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)
、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、およびZ
2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0
よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4
Z4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離
することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2
が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。
For example, CAC-IGZ in In-Ga-Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO)
O is indium oxide (hereinafter, InO X1 (X1 is a real number greater than 0)).
, or indium zinc oxide (hereinafter In X2 Zn Y2 O Z2 (X2, Y2, and Z
2 is a real number greater than 0). ) and gallium oxide (hereafter GaO X3 (X3 is 0
real number greater than ). ), or gallium zinc oxide (hereinafter Ga X4 Zn Y4 O
Let Z4 (X4, Y4, and Z4 are real numbers greater than 0). ) and the like, the material is separated into a mosaic shape, and mosaic InO X1 or In X2 Zn Y2 O Z2
is uniformly distributed in the film (hereinafter also referred to as a cloud shape).

つまり、CAC-IGZOは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2
、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半
導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子
数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は
、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。
That is, CAC-IGZO has a region mainly composed of GaO X3 and a region containing In X2 Zn Y2 O Z
2 or a region containing InO 2 X1 as a main component. In this specification, for example, the first region means that the atomic ratio of In to the element M in the first region is greater than the atomic ratio of In to the element M in the second region. Assume that the concentration of In is higher than that of the region No. 2.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場
合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn
1+x0)Ga(1-x0)(ZnO)m0(-1≦x0≦1、m0は任意数)で表
される結晶性の化合物が挙げられる。
Note that IGZO is a common name, and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. Representative examples include InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number), or In (
1+x0) Ga (1−x0) O 3 (ZnO) m0 (−1≦x0≦1, m0 is an arbitrary number).

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、
CAAC構造とは、複数のIGZOナノ結晶がc軸配向を有し、かつa-b面においては
配向せずに連結した結晶構造である。
The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. note that,
A CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.

一方、CACは、材料構成に関する。CACとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材
料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にIn
を主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散
している構成をいう。従って、CACにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
CAC, on the other hand, relates to material composition. CAC is a material structure containing In, Ga, Zn, and O, in which a part of the nanoparticle-like region mainly composed of Ga and a part of In
A region observed in the form of nanoparticles containing as a main component refers to a configuration in which regions are randomly dispersed in a mosaic pattern. Therefore, in CAC, the crystal structure is a secondary factor.

なお、CACは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば
、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。
Note that CAC does not include a laminated structure of two or more types of films with different compositions. For example, it does not include a structure consisting of two layers, a film containing In as a main component and a film containing Ga as a main component.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1
主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
In some cases, a clear boundary cannot be observed between a region containing GaO X3 as a main component and a region containing In X2 ZnY2 O Z2 or InO X1 as a main component.

<CAC-IGZOの解析>
続いて、各種測定方法を用い、基板上に成膜した酸化物半導体について測定を行った結果
について説明する。
<Analysis of CAC-IGZO>
Next, measurement results of an oxide semiconductor deposited over a substrate using various measurement methods are described.

≪試料の構成と作製方法≫
以下では、本発明の一態様に係る9個の試料について説明する。各試料は、それぞれ、酸
化物半導体を成膜する際の基板温度、および酸素ガス流量比を異なる条件で作製する。な
お、試料は、基板と、基板上の酸化物半導体と、を有する構造である。
≪Structure of sample and preparation method≫
Nine samples according to one embodiment of the present invention are described below. Each sample is manufactured under different conditions of substrate temperature and oxygen gas flow rate when forming an oxide semiconductor film. Note that the sample has a structure including a substrate and an oxide semiconductor over the substrate.

各試料の作製方法について、説明する。 A method for manufacturing each sample will be described.

まず、基板として、ガラス基板を用いる。続いて、スパッタリング装置を用いて、ガラス
基板上に酸化物半導体として、厚さ100nmのIn-Ga-Zn酸化物を形成する。成
膜条件は、チャンバー内の圧力を0.6Paとし、ターゲットには、酸化物ターゲット(
In:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比])を用いる。また、スパッタリング装置
内に設置された酸化物ターゲットに2500WのAC電力を供給する。
First, a glass substrate is used as a substrate. Subsequently, a 100-nm-thick In--Ga--Zn oxide is formed as an oxide semiconductor over the glass substrate using a sputtering apparatus. The film formation conditions are that the pressure in the chamber is 0.6 Pa, and the target is an oxide target (
In:Ga:Zn=4:2:4.1 [atomic ratio]) is used. Also, AC power of 2500 W is supplied to the oxide target installed in the sputtering apparatus.

なお、酸化物を成膜する際の条件として、基板温度を、意図的に加熱しない温度(以下、
R.T.ともいう。)、130℃、または170℃とした。また、Arと酸素の混合ガス
に対する酸素ガスの流量比(以下、酸素ガス流量比ともいう。)を、10%、30%、ま
たは100%とすることで、9個の試料を作製する。
In addition, as a condition for forming an oxide film, the substrate temperature is set to a temperature that is not intentionally heated (hereinafter referred to as
R. T. Also called ), 130°C, or 170°C. Nine samples were prepared by setting the flow ratio of the oxygen gas to the mixed gas of Ar and oxygen (hereinafter also referred to as the oxygen gas flow ratio) to 10%, 30%, or 100%.

≪X線回折による解析≫
本項目では、9個の試料に対し、X線回折(XRD:X-ray diffractio
n)測定を行った結果について説明する。なお、XRD装置として、Bruker社製D
8 ADVANCEを用いた。また、条件は、Out-of-plane法によるθ/2
θスキャンにて、走査範囲を15deg.乃至50deg.、ステップ幅を0.02de
g.、走査速度を3.0deg./分とした。
<<Analysis by X-ray diffraction>>
In this item, nine samples were subjected to X-ray diffraction (XRD: X-ray diffraction
n) Describe the results of the measurements. In addition, as an XRD device, D
8 ADVANCE was used. In addition, the condition is θ/2 by the Out-of-plane method
In the θ scan, the scanning range is 15 deg. to 50deg. , a step width of 0.02 de
g. , a scanning speed of 3.0 deg. / minutes.

図68にOut-of-plane法を用いてXRDスペクトルを測定した結果を示す。
なお、図68において、上段には成膜時の基板温度条件が170℃の試料における測定結
果、中段には成膜時の基板温度条件が130℃の試料における測定結果、下段には成膜時
の基板温度条件がR.T.の試料における測定結果を示す。また、左側の列には酸素ガス
流量比の条件が10%の試料における測定結果、中央の列には酸素ガス流量比の条件が3
0%の試料における測定結果、右側の列には酸素ガス流量比の条件が100%の試料にお
ける測定結果、を示す。
FIG. 68 shows the result of XRD spectrum measurement using the out-of-plane method.
In FIG. 68, the upper part shows the measurement results of the sample with a substrate temperature condition of 170° C. during film formation, the middle part shows the measurement results of the sample with a substrate temperature condition of 130° C. during film formation, and the lower part shows the measurement results during film formation. The substrate temperature condition of R.I. T. shows the measurement results for the sample. In addition, the left column shows the measurement results for the sample with the oxygen gas flow ratio condition of 10%, and the middle column shows the oxygen gas flow ratio condition of 3%.
The measurement results for the 0% sample are shown, and the right column shows the measurement results for the sample with the oxygen gas flow ratio condition of 100%.

図68に示すXRDスペクトルは、成膜時の基板温度を高くする、または、成膜時の酸素
ガス流量比の割合を大きくすることで、2θ=31°付近のピーク強度が高くなる。なお
、2θ=31°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してc軸に配向し
た結晶性IGZO化合物(CAAC(c-axis aligned crystall
ine)-IGZOともいう。)であることに由来することが分かっている。
The XRD spectrum shown in FIG. 68 increases the peak intensity near 2θ=31° by increasing the substrate temperature during film formation or by increasing the ratio of the oxygen gas flow rate during film formation. The peak near 2θ = 31° is a crystalline IGZO compound (CAAC (c-axis aligned crystal
ine)-IGZO. ).

また、図68に示すXRDスペクトルは、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流
量比が小さいほど、明確なピークが現れなかった。従って、成膜時の基板温度が低い、ま
たは、酸素ガス流量比が小さい試料は、測定領域のa-b面方向、およびc軸方向の配向
は見られないことが分かる。
Further, in the XRD spectrum shown in FIG. 68, a clear peak did not appear as the substrate temperature during film formation was lower or as the oxygen gas flow rate ratio was smaller. Therefore, it can be seen that no orientation in the ab plane direction and the c-axis direction of the measurement region is observed in the sample with a low substrate temperature during film formation or a low oxygen gas flow rate ratio.

≪電子顕微鏡による解析≫
本項目では、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料を
、HAADF(High-Angle Annular Dark Field)-ST
EM(Scanning Transmission Electron Micros
cope)によって観察、および解析した結果について説明する(以下、HAADF-S
TEMによって取得した像は、TEM像ともいう。)。
≪Analysis by electron microscope≫
In this item, the substrate temperature R.O.D. T. , and a sample prepared with an oxygen gas flow rate ratio of 10%, HAADF (High-Angle Annular Dark Field)-ST
EM (Scanning Transmission Electron Micros)
(hereinafter referred to as HAADF-S
An image acquired by a TEM is also called a TEM image. ).

HAADF-STEMによって取得した平面像(以下、平面TEM像ともいう。)、およ
び断面像(以下、断面TEM像ともいう。)の画像解析を行った結果について説明する。
なお、TEM像は、球面収差補正機能を用いて観察した。なお、HAADF-STEM像
の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM-ARM200Fを用
いて、加速電圧200kV、ビーム径約0.1nmφの電子線を照射して行った。
The result of image analysis of a planar image (hereinafter also referred to as a planar TEM image) and a cross-sectional image (hereinafter also referred to as a cross-sectional TEM image) obtained by HAADF-STEM will be described.
The TEM image was observed using a spherical aberration correction function. The HAADF-STEM image was taken using an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd., with an acceleration voltage of 200 kV and an electron beam with a beam diameter of about 0.1 nmφ.

図69(A)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試
料の平面TEM像である。図69(B)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス
流量比10%で作製した試料の断面TEM像である。
FIG. 69A shows the substrate temperature R.D. during film formation. T. , and a planar TEM image of a sample produced with an oxygen gas flow ratio of 10%. FIG. 69B shows the substrate temperature R.D. during film formation. T. , and a cross-sectional TEM image of a sample produced with an oxygen gas flow ratio of 10%.

≪電子線回折パターンの解析≫
本項目では、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料に
、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで、電子
線回折パターンを取得した結果について説明する。
<<Analysis of Electron Diffraction Pattern>>
In this item, the substrate temperature R.O.D. T. , and an oxygen gas flow ratio of 10%, and an electron beam with a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam) to obtain an electron beam diffraction pattern.

図69(A)に示す、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製し
た試料の平面TEM像において、黒点a1、黒点a2、黒点a3、黒点a4、および黒点
a5で示す電子線回折パターンを観察する。なお、電子線回折パターンの観察は、電子線
を照射しながら0秒の位置から35秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。黒点
a1の結果を図69(C)、黒点a2の結果を図69(D)、黒点a3の結果を図69(
E)、黒点a4の結果を図69(F)、および黒点a5の結果を図69(G)に示す。
As shown in FIG. 69(A), the substrate temperature R.D. T. , and an electron beam diffraction pattern indicated by black point a1, black point a2, black point a3, black point a4, and black point a5 in the planar TEM images of the samples produced at an oxygen gas flow ratio of 10%. The observation of the electron beam diffraction pattern is performed while moving at a constant speed from the position of 0 seconds to the position of 35 seconds while irradiating the electron beam. The result of black point a1 is shown in FIG. 69(C), the result of black point a2 is shown in FIG. 69(D), and the result of black point a3 is shown in FIG.
E), the result of black point a4 is shown in FIG. 69(F), and the result of black point a5 is shown in FIG. 69(G).

図69(C)、図69(D)、図69(E)、図69(F)、および図69(G)より、
円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複
数のスポットが観測できる。
From FIGS. 69(C), 69(D), 69(E), 69(F), and 69(G),
A circular (ring-like) area with high brightness can be observed. Also, a plurality of spots can be observed in a ring-shaped area.

また、図69(B)に示す、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で
作製した試料の断面TEM像において、黒点b1、黒点b2、黒点b3、黒点b4、およ
び黒点b5で示す電子線回折パターンを観察する。黒点b1の結果を図69(H)、黒点
b2の結果を図69(I)、黒点b3の結果を図69(J)、黒点b4の結果を図69(
K)、および黒点b5の結果を図69(L)に示す。
Also, the substrate temperature R.D. during film formation shown in FIG. T. , and an electron beam diffraction pattern indicated by black points b1, black points b2, black points b3, black points b4, and black points b5 in the cross-sectional TEM images of the samples produced at an oxygen gas flow rate of 10%. The result of black point b1 is shown in FIG. 69(H), the result of black point b2 is shown in FIG. 69(I), the result of black point b3 is shown in FIG.
K), and the result of black point b5 are shown in FIG. 69(L).

図69(H)、図69(I)、図69(J)、図69(K)、および図69(L)より、
リング状に輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測
できる。
From FIGS. 69(H), 69(I), 69(J), 69(K), and 69(L),
A ring-shaped area with high brightness can be observed. Also, a plurality of spots can be observed in a ring-shaped area.

ここで、例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC-OSに対し、試料面に平行
にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、InGaZnOの結晶の(009
)面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られる。つまり、CAAC-OSは
、c軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわか
る。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させ
ると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、CAAC-OSは、a軸およびb
軸は配向性を有さないことがわかる。
Here, for example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident parallel to the sample surface to a CAAC-OS having InGaZnO 4 crystals , the (009
) surface, a diffraction pattern containing spots is seen. In other words, CAAC-OS has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or top surface. On the other hand, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. That is, the CAAC-OS has the a-axis and b
It can be seen that the axis has no orientation.

また、微結晶を有する酸化物半導体(nano crystalline oxide
semiconductor。以下、nc-OSという。)に対し、大きいプローブ径(
例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折を行うと、ハローパターンのような回
折パターンが観測される。また、nc-OSに対し、小さいプローブ径の電子線(例えば
50nm未満)を用いるナノビーム電子線回折を行うと、輝点(スポット)が観測される
。また、nc-OSに対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように(リング状に
)輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域に複数の輝点が観測
される場合がある。
In addition, an oxide semiconductor having microcrystals (nano crystalline oxide
semiconductor. Hereinafter, it will be referred to as nc-OS. ), a large probe diameter (
For example, when electron beam diffraction is performed using an electron beam of 50 nm or more), a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Also, when nanobeam electron diffraction using an electron beam with a small probe diameter (for example, less than 50 nm) is performed on the nc-OS, bright points (spots) are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a circular (ring-like) region with high brightness may be observed. Furthermore, a plurality of bright spots may be observed in the ring-shaped area.

成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の電子線回折パ
ターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点を有する。従って、
成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料は、電子線回折
パターンが、nc-OSになり、平面方向、および断面方向において、配向性は有さない
Substrate temperature R.D. during film formation T. , and an oxygen gas flow ratio of 10%, the electron beam diffraction pattern has a ring-shaped region of high brightness and a plurality of bright spots in the ring region. Therefore,
Substrate temperature R.D. during film formation T. , and an oxygen gas flow ratio of 10%, the electron beam diffraction pattern is nc-OS, and does not have orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.

以上より、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい酸化物半導体は、
アモルファス構造の酸化物半導体膜とも、単結晶構造の酸化物半導体膜とも明確に異なる
性質を有すると推定できる。
From the above, an oxide semiconductor with a low substrate temperature during film formation or a low oxygen gas flow ratio is
It can be inferred that the oxide semiconductor film has properties that are clearly different from those of an oxide semiconductor film having an amorphous structure and those having a single crystal structure.

≪元素分析≫
本項目では、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersiv
e X-ray spectroscopy)を用い、EDXマッピングを取得し、評価
することによって、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した
試料の元素分析を行った結果について説明する。なお、EDX測定には、元素分析装置と
して日本電子株式会社製エネルギー分散型X線分析装置JED-2300Tを用いる。な
お、試料から放出されたX線の検出にはSiドリフト検出器を用いる。
≪Elemental analysis≫
In this item, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive
EDX mapping was acquired and evaluated using X-ray spectroscopy) to determine the substrate temperature R.E.M. T. , and the results of elemental analysis of the samples produced at an oxygen gas flow ratio of 10% will be described. For the EDX measurement, an energy dispersive X-ray analyzer JED-2300T manufactured by JEOL Ltd. is used as an elemental analyzer. A Si drift detector is used to detect X-rays emitted from the sample.

EDX測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試
料の特性X線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するEDXスペクトルを得る
。本実施の形態では、各点のEDXスペクトルのピークを、In原子のL殻への電子遷移
、Ga原子のK殻への電子遷移、Zn原子のK殻への電子遷移及びO原子のK殻への電子
遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象
領域について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたEDXマッピングを得るこ
とができる。
In the EDX measurement, an electron beam is irradiated to each point in the region to be analyzed of the sample, and the energy and the number of occurrences of characteristic X-rays generated from the sample are measured to obtain an EDX spectrum corresponding to each point. In this embodiment, the peaks of the EDX spectrum at each point are defined as the electronic transition to the L shell of the In atom, the electronic transition to the K shell of the Ga atom, the electronic transition to the K shell of the Zn atom, and the K shell of the O atom. and calculate the ratio of each atom at each point. By performing this on the analysis target region of the sample, EDX mapping showing the distribution of the ratio of each atom can be obtained.

図70には、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で作製した試料の
断面におけるEDXマッピングを示す。図70(A)は、Ga原子のEDXマッピング(
全原子に対するGa原子の比率は1.18乃至18.64[atomic%]の範囲とす
る。)である。図70(B)は、In原子のEDXマッピング(全原子に対するIn原子
の比率は9.28乃至33.74[atomic%]の範囲とする。)である。図70(
C)は、Zn原子のEDXマッピング(全原子に対するZn原子の比率は6.69乃至2
4.99[atomic%]の範囲とする。)である。また、図70(A)、図70(B
)、および図70(C)は、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%で
作製した試料の断面において、同範囲の領域を示している。なお、EDXマッピングは、
範囲における、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くなるように、
明暗で元素の割合を示している。また、図70に示すEDXマッピングの倍率は720万
倍である。
FIG. 70 shows the substrate temperature R.D. during film formation. T. , and an EDX mapping of a cross-section of a sample produced at an oxygen gas flow rate of 10%. FIG. 70(A) shows EDX mapping of Ga atoms (
The ratio of Ga atoms to all atoms is in the range of 1.18 to 18.64 [atomic %]. ). FIG. 70B is EDX mapping of In atoms (the ratio of In atoms to all atoms is in the range of 9.28 to 33.74 [atomic %]). Figure 70 (
C) EDX mapping of Zn atoms (ratio of Zn atoms to total atoms is 6.69-2
The range is 4.99 [atomic %]. ). 70(A) and 70(B)
), and FIG. 70(C) show the substrate temperature R.D. T. , and the cross section of the samples produced with the oxygen gas flow rate ratio of 10%. In addition, the EDX mapping is
In the range, the more elements measured, the brighter, and the fewer elements measured, the darker.
Brightness and darkness indicate the ratio of elements. Also, the magnification of the EDX mapping shown in FIG. 70 is 7.2 million times.

図70(A)、図70(B)、および図70(C)に示すEDXマッピングでは、画像に
相対的な明暗の分布が見られ、成膜時の基板温度R.T.、および酸素ガス流量比10%
で作製した試料において、各原子が分布を持って存在している様子が確認できる。ここで
、図70(A)、図70(B)、および図70(C)に示す実線で囲む範囲と破線で囲む
範囲に注目する。
In the EDX mapping shown in FIGS. 70(A), 70(B), and 70(C), a distribution of relative light and dark can be seen in the image, and the substrate temperature R.D. T. , and an oxygen gas flow rate ratio of 10%
It can be confirmed that each atom has a distribution in the sample prepared in . Here, attention is paid to the range surrounded by solid lines and the range surrounded by broken lines shown in FIGS. 70(A), 70(B) and 70(C).

図70(A)では、実線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含み、破線で囲む範囲は
、相対的に明るい領域を多く含む。また、図70(B)では実線で囲む範囲は、相対的に
明るい領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含む。
In FIG. 70A, the range surrounded by solid lines includes many relatively dark areas, and the range surrounded by dashed lines includes many relatively bright areas. Further, in FIG. 70B, the range surrounded by solid lines includes many relatively bright areas, and the range surrounded by broken lines includes many relatively dark areas.

つまり、実線で囲む範囲はIn原子が相対的に多い領域であり、破線で囲む範囲はIn原
子が相対的に少ない領域である。ここで、図70(C)では、実線で囲む範囲において、
右側は相対的に明るい領域であり、左側は相対的に暗い領域である。従って、実線で囲む
範囲は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1などが主成分である領域である。
That is, the area surrounded by the solid line is the area with relatively many In atoms, and the area surrounded by the broken line is the area with relatively few In atoms. Here, in FIG. 70(C), in the range surrounded by the solid line,
The right side is the relatively bright area and the left side is the relatively dark area. Therefore, the range surrounded by the solid line is a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as the main component.

また、実線で囲む範囲はGa原子が相対的に少ない領域であり、破線で囲む範囲はGa原
子が相対的に多い領域である。図70(C)では、破線で囲む範囲において、左上の領域
は、相対的に明るい領域であり、右下側の領域は、相対的に暗い領域である。従って、破
線で囲む範囲は、GaOX3、またはGaX4ZnY4Z4などが主成分である領域で
ある。
Also, the area surrounded by the solid line is the area with relatively few Ga atoms, and the area surrounded by the broken line is the area with relatively many Ga atoms. In FIG. 70(C), in the area enclosed by the dashed line, the upper left area is a relatively bright area, and the lower right area is a relatively dark area. Therefore, the range enclosed by the dashed line is a region where the main component is GaO X3 or Ga X4 Zn Y4 O Z4 .

また、図70(A)、図70(B)、および図70(C)より、In原子の分布は、Ga
原子よりも、比較的、均一に分布しており、InOX1が主成分である領域は、InX2
ZnY2Z2が主成分となる領域を介して、互いに繋がって形成されているように見え
る。このように、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、ク
ラウド状に広がって形成されている。
70(A), 70(B), and 70(C), the distribution of In atoms is Ga
A region in which InO X1 is the main component is relatively more uniformly distributed than atoms, and InX2
They seem to be connected to each other through a region containing ZnY2OZ2 as a main component. In this way, the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component is formed to spread like a cloud.

このように、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInO
X1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有するIn-Ga-Zn酸化
物を、CAC-IGZOと呼称することができる。
In this way, the region mainly composed of GaO X3 and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO
An In—Ga—Zn oxide having a structure in which regions containing X1 as a main component are unevenly distributed and mixed can be referred to as CAC-IGZO.

また、CACにおける結晶構造は、nc構造を有する。CACが有するnc構造は、電子
線回折像において、単結晶、多結晶、またはCAAC構造を含むIGZOに起因する輝点
(スポット)以外にも、数か所以上の輝点(スポット)を有する。または、数か所以上の
輝点(スポット)に加え、リング状に輝度の高い領域が現れるとして結晶構造が定義され
る。
Also, the crystal structure of CAC has an nc structure. The nc structure of CAC has several or more bright points (spots) in an electron beam diffraction image, in addition to the bright points (spots) caused by IGZO containing a single crystal, polycrystal, or CAAC structure. Alternatively, the crystal structure is defined as a ring-shaped region of high brightness appearing in addition to several or more bright points (spots).

また、図70(A)、図70(B)、および図70(C)より、GaOX3が主成分であ
る領域、及びInX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域のサイズは
、0.5nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下で観察される。なお、好ま
しくは、EDXマッピングにおいて、各金属元素が主成分である領域の径は、1nm以上
2nm以下とする。
70(A), 70(B), and 70(C), the size of the region whose main component is GaO X3 and the region whose main component is In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is observed at 0.5 nm or more and 10 nm or less, or 1 nm or more and 3 nm or less. In EDX mapping, the diameter of the region containing each metal element as a main component is preferably 1 nm or more and 2 nm or less.

以上より、CAC-IGZOは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構
造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC-IGZOは、GaO
X3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分で
ある領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有
する。従って、CAC-IGZOを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する
性質と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する性質とが、相補的に作用
することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現する
ことができる。
As described above, CAC-IGZO has a structure different from that of an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has properties different from those of an IGZO compound. That is, CAC-IGZO is GaO
A region containing X3 or the like as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are phase-separated from each other, and the regions containing each element as a main component have a mosaic structure. . Therefore, when CAC-IGZO is used in a semiconductor device, the properties attributed to GaO X3 and the like and the properties attributed to In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily, resulting in a high on-current. (I on ), and high field effect mobility (μ) can be achieved.

また、CAC-IGZOを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、CAC-IGZ
Oは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
In addition, a semiconductor element using CAC-IGZO has high reliability. Therefore, the CAC-IGZ
O is most suitable for various semiconductor devices including displays.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を
参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a circuit using a transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

<断面構造>
図42(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図42(A)において、X
1-X2方向はチャネル長方向、Y1-Y2方向はチャネル幅方向を示す。図42(A)
に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上
部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図42(A)では、
第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100として、先の実施の形態で例示したトラ
ンジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタのチャネル
長方向の断面、右側がチャネル幅方向の断面である。
<Cross-sectional structure>
FIG. 42A shows a cross-sectional view of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. In FIG. 42(A), X
The 1-X2 direction indicates the channel length direction, and the Y1-Y2 direction indicates the channel width direction. Figure 42(A)
has a transistor 2200 using a first semiconductor material in its lower portion and a transistor 2100 using a second semiconductor material in its upper portion. In FIG. 42(A),
As the transistor 2100 using the second semiconductor material, an example in which the transistor described in any of the above embodiments is applied is shown. Note that the left side of the one-dot chain line is the cross section in the channel length direction of the transistor, and the right side is the cross section in the channel width direction.

第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい
。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン(歪シリコン含
む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミ
ニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、有機半導体など)とし、第2の半導
体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコ
ンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いた
トランジスタは、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することで、S値(サブ
スレッショルド値)を小さくすることができ、微細なトランジスタとすることが可能であ
る。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電
流が小さい。
Preferably, the first semiconductor material and the second semiconductor material are materials having different bandgap. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor (silicon (including strained silicon), germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, organic semiconductors, etc.). ), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can have a small S value (subthreshold value) and a miniaturized transistor by using the transistor described as an example in the above embodiment. be. In addition, since the switching speed is high, high-speed operation is possible, and since the off current is low, the leakage current is small.

トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジス
タのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸
化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造な
ど、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
The transistor 2200 may be either an n-channel transistor or a p-channel transistor, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit. In addition to using the transistor of one embodiment of the present invention using an oxide semiconductor, the specific structure of the semiconductor device, such as the material and structure, need not be limited to those shown here.

図42(A)に示す構成では、トランジスタ2200の上部に、絶縁体2201、絶縁体
2207を介してトランジスタ2100が設けられている。また、トランジスタ2200
とトランジスタ2100の間には、複数の配線2202が設けられている。また、各種絶
縁体に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上層と下層にそれぞれ設けられた配線
や電極が電気的に接続されている。また、トランジスタ2100を覆う絶縁体2204と
、絶縁体2204上に配線2205と、が設けられている。
In the structure shown in FIG. 42A, the transistor 2100 is provided over the transistor 2200 with insulators 2201 and 2207 interposed therebetween. Moreover, the transistor 2200
A plurality of wirings 2202 is provided between the transistor 2100 and the transistor 2100 . Wirings and electrodes provided in upper and lower layers are electrically connected by a plurality of plugs 2203 embedded in various insulators. An insulator 2204 covering the transistor 2100 and a wiring 2205 over the insulator 2204 are provided.

このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、
より高密度に複数の回路を配置することができる。
By stacking two types of transistors in this way, the area occupied by the circuit can be reduced.
A plurality of circuits can be arranged with higher density.

ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、
トランジスタ2200の半導体膜の近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダング
リングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、
上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ21
00の半導体膜の近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成
する要因の一つとなるため、トランジスタ2100の信頼性を低下させる要因となる場合
がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化
物半導体を用いたトランジスタ2100を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散
を防止する機能を有する絶縁体2207を設けることは特に効果的である。絶縁体220
7により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上すること
に加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ2100の
信頼性も同時に向上させることができる。
Here, when a silicon-based semiconductor material is used for the transistor 2200 provided in the lower layer,
Hydrogen in the insulator provided near the semiconductor film of the transistor 2200 terminates dangling bonds of silicon and has the effect of improving the reliability of the transistor 2200 . on the other hand,
When an oxide semiconductor is used for the transistor 2100 provided in an upper layer, the transistor 21
Hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the semiconductor film of 00 is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor, which might reduce the reliability of the transistor 2100 . Therefore, in the case where the transistor 2100 using an oxide semiconductor is stacked over the transistor 2200 using a silicon-based semiconductor material, the insulator 2207 having a function of preventing diffusion of hydrogen is especially provided therebetween. Effective. insulator 220
7 improves the reliability of the transistor 2200 by confining hydrogen in the lower layer, and suppresses the diffusion of hydrogen from the lower layer to the upper layer, thereby improving the reliability of the transistor 2100 at the same time.

絶縁体2207としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウ
ム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸
化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
As the insulator 2207, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.

また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ2100を覆うように、トランジ
スタ2100上に水素の拡散を防止する機能を有するブロック膜を形成することが好まし
い。当該ブロック膜としては、絶縁体2207と同様の材料を用いることができ、特に酸
化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不
純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。した
がって、トランジスタ2100を覆う当該ブロック膜として酸化アルミニウム膜を用いる
ことで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止すると
ともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。なお、当該ブ
ロック膜は、絶縁体2204を積層にすることで用いてもよいし、絶縁体2204の下側
に設けてもよい。
Further, a block film having a function of preventing diffusion of hydrogen is preferably formed over the transistor 2100 so as to cover the transistor 2100 including an oxide semiconductor film. As the block film, a material similar to that of the insulator 2207 can be used, and aluminum oxide is particularly preferably used. The aluminum oxide film has a high blocking effect of preventing both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture from penetrating through the film. Therefore, by using the aluminum oxide film as the block film that covers the transistor 2100, oxygen is prevented from being released from the oxide semiconductor film included in the transistor 2100, and water and hydrogen are prevented from entering the oxide semiconductor film. can be prevented. Note that the block film may be used by stacking the insulator 2204 or may be provided below the insulator 2204 .

なお、トランジスタ2200は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプの
トランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI-GATE(ト
ライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、
図42(D)に示す。半導体基板2211の上に、絶縁体2212が設けられている。半
導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう)を有する。なお、凸部の上には
、絶縁体が設けられていてもよい。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略
直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の
凸部の上には、ゲート絶縁体2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設
けられている。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成
されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発
明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、
凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。
Note that the transistor 2200 can be not only a planar transistor but also various types of transistors. For example, a FIN (fin) type, a TRI-GATE (tri-gate) type transistor, or the like can be used. An example of a cross-sectional view in that case is
It is shown in FIG. An insulator 2212 is provided on the semiconductor substrate 2211 . The semiconductor substrate 2211 has a projection (also referred to as a fin) with a thin tip. An insulator may be provided on the projection. In addition, the tip of the protrusion may not be thin, and may be, for example, a substantially rectangular parallelepiped protrusion or a protrusion with a thick tip. A gate insulator 2214 is provided on the protrusion of the semiconductor substrate 2211, and a gate electrode 2213 is provided thereon. A semiconductor substrate 2211 has source and drain regions 2215 formed therein. Note that although an example in which the semiconductor substrate 2211 has a projection is shown here, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, by processing an SOI substrate,
A semiconductor region having a convex portion may be formed.

<回路構成例>
上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極を適宜接続する
ことにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装
置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。
<Example of circuit configuration>
In the above structure, various circuits can be formed by connecting the electrodes of the transistor 2100 and the transistor 2200 as appropriate. An example of a circuit configuration that can be realized by using a semiconductor device of one embodiment of the present invention is described below.

<CMOSインバータ回路>
図42(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のト
ランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMO
Sインバータの構成を示している。
<CMOS inverter circuit>
The circuit diagram shown in FIG. 42B is a so-called CMO in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected.
The configuration of the S inverter is shown.

<CMOSアナログスイッチ>
また、図42(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそ
れぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、
いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
<CMOS analog switch>
The circuit diagram in FIG. 42C shows a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected. With such a configuration,
It can function as a so-called CMOS analog switch.

<記憶装置の例>
本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保
持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図43
に示す。
<Example of storage device>
FIG. 43 shows an example of a semiconductor device (storage device) that uses a transistor of one embodiment of the present invention, can hold memory contents even when power is not supplied, and has no limit on the number of times of writing.
shown in

図43(A)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第
2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。
なお、トランジスタ3300としては、先の実施の形態で説明したトランジスタを用いる
ことができる。
A semiconductor device illustrated in FIG. 43A includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400 .
Note that the transistor described in the above embodiment can be used as the transistor 3300 .

図43(B)に図43(A)に示す半導体装置の断面図を示す。当該断面図の半導体装置
では、トランジスタ3300にバックゲートを設けた構成を示しているが、バックゲート
を設けない構成であってもよい。
FIG. 43B shows a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 43A. Although the semiconductor device in the cross-sectional view shows a structure in which the transistor 3300 is provided with a back gate, a structure in which the back gate is not provided may be employed.

トランジスタ3300は、酸化物半導体を有する半導体にチャネルが形成されるトランジ
スタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより
長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要と
しない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可
能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
The transistor 3300 is a transistor whose channel is formed in a semiconductor including an oxide semiconductor. Since the transistor 3300 has a low off-state current, data can be retained for a long time by using the transistor 3300 . In other words, a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has an extremely low frequency of refresh operations can be provided, so that power consumption can be sufficiently reduced.

図43(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気
的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接
続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはド
レイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲ
ート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極は、ト
ランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方、および容量素子3400の
第1の端子と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の第2の端子と
電気的に接続されている。
43A, a first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and a second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. In FIG. A third wiring 3003 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300 , and a fourth wiring 3004 is electrically connected to the gate electrode of the transistor 3300 . A gate electrode of the transistor 3200 is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 3300 and the first terminal of the capacitor 3400 , and the fifth wiring 3005 is connected to the second terminal of the capacitor 3400 . is electrically connected to

図43(A)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可
能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 43A, by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held, data can be written, held, and read as follows.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トラ
ンジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする
。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、およ
び容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲート電極には、
所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷
(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとす
る。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位
にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲ
ート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
Describe writing and retention of information. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is applied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400 . That is, the gate electrode of the transistor 3200 has
A predetermined charge is applied (writing). Here, it is assumed that one of charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as low-level charge and high-level charge) is applied. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, so that the charge applied to the gate electrode of the transistor 3200 is held (held).

トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲート電
極の電荷は長時間にわたって保持される。
Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely low, charge in the gate electrode of the transistor 3200 is retained for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与
えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジス
タ3200のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位
をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200
のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_H
は、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見か
けのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、
トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をい
うものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の
電位Vとすることにより、トランジスタ3200のゲート電極に与えられた電荷を判別
できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第
5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オ
ン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電
位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままであ
る。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み
出すことができる。
Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 while a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, , the second wiring 3002 take different potentials. In general, if transistor 3200 is an n-channel type, transistor 3200
Apparent threshold voltage V th_H when high level charge is applied to the gate electrode of
is lower than the apparent threshold V th_L when the gate electrode of the transistor 3200 is supplied with low-level charge. Here, the apparent threshold voltage is
It refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor 3200 . Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to the potential V0 between Vth_H and Vth_L , the charge applied to the gate electrode of the transistor 3200 can be determined. For example, when high-level charge is applied in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (>V th — H ). When low-level charge is applied, the transistor 3200 remains “off” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th — L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, the held information can be read.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み
出せることが必要になる。例えば情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲートの状
態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、すなわち、V
h_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみ
を読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲ
ートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、すなわ
ち、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの
情報のみを読み出せる構成とすればよい。
Note that when memory cells are arranged in an array and used, it is necessary to be able to read only the information of a desired memory cell. For example, in a memory cell from which information is not read, the potential at which the transistor 3200 is turned off regardless of the state of the gate, that is, V t
By applying a potential lower than h_H to the fifth wiring 3005, only data in a desired memory cell can be read. Alternatively, in a memory cell from which data is not read, a potential at which the transistor 3200 is turned on regardless of the state of the gate, that is, a potential higher than Vth_L is applied to the fifth wiring 3005 to obtain the desired memory. It is sufficient to have a configuration that allows only the information of the cell to be read.

図43(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で図43(A
)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が
可能である。
The semiconductor device shown in FIG. 43C is similar to that shown in FIG. 43A in that the transistor 3200 is not provided.
). In this case as well, information can be written and held by operations similar to those described above.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮
遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と
容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変
化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(
あるいは容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
Next, reading of information will be described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are brought into conduction, and electric charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400 . As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in the potential of the third wiring 3003 is the potential of the first terminal of the capacitor 3400 (
Alternatively, it takes a different value depending on the charge accumulated in the capacitor 3400).

例えば、容量素子3400の第1の端子の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3
の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の
電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×
VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素
子3400の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電
位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1)
/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(C
B×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
For example, the potential of the first terminal of the capacitor 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, and the third
CB is the capacitance component of the wiring 3003, and VB0 is the potential of the third wiring 3003 before charge redistribution. Then, the potential of the third wiring 3003 after charge redistribution is (CB×
VB0+C*V)/(CB+C). Therefore, assuming that the potential of the first terminal of the capacitor 3400 has two states of V1 and V0 (V1>V0) as the state of the memory cell, the potential of the third wiring 3003 when the potential V1 is held. Potential (=(CB×VB0+C×V1)
/(CB+C)) is the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (=(C
B*VB0+C*V0)/(CB+C)).

そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すこと
ができる。
By comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential, information can be read.

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用された
トランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトラン
ジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。
In this case, a transistor made of the first semiconductor material is used in a driver circuit for driving a memory cell, and a transistor made of the second semiconductor material is stacked over the driver circuit as the transistor 3300. And it is sufficient.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流
の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持する
ことが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動
作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができ
る。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であ
っても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
In the semiconductor device described in this embodiment, memory data can be retained for an extremely long time by using a transistor including an oxide semiconductor for a channel formation region and having extremely low off-state current. In other words, the refresh operation becomes unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, memory contents can be retained for a long time even when power is not supplied (however, the potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素
子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲート
への電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、
ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体
装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信
頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の
書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
In addition, the semiconductor device described in this embodiment mode does not require a high voltage for writing data, and there is no problem of element deterioration. For example, there is no need to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, unlike conventional nonvolatile memories.
Problems such as deterioration of the gate insulating layer do not occur at all. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, there is no limitation on the number of rewritable times, which is a problem in conventional nonvolatile memories, and reliability is dramatically improved. Furthermore, high-speed operation can be easily achieved because information is written depending on whether the transistor is on or off.

本実施の形態に示す半導体装置を用いることで、低消費電力であり、また高容量(例えば
1テラビット以上)の記憶装置を作製することができる。
By using the semiconductor device described in this embodiment, a memory device with low power consumption and high capacity (eg, 1 terabit or more) can be manufactured.

なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(
容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された
内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細
書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複
数のケースが考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない
。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗
素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、
発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
In this specification and the like, active elements (transistors, diodes, etc.), passive elements (
A person skilled in the art may be able to configure one embodiment of the invention without specifying connection destinations of all terminals included in a capacitor, a resistor, and the like. In other words, it can be said that one aspect of the invention is clear without specifying the connection destination. If the content specifying the connection destination is described in this specification, etc., and if it is possible to determine that an aspect of the invention that does not specify the connection destination is described in this specification, etc. There is In particular, when a plurality of cases can be considered as the connection destination of the terminal, it is not necessary to limit the connection destination of the terminal to a specific location. Therefore, by specifying the connection destination only for some terminals that have active elements (transistors, diodes, etc.) and passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.),
It may be possible to constitute an aspect of the invention.

なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少な
くとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つ
まり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定され
た発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。し
たがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態
様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または
、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として
開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
Note that in this specification and the like, a person skilled in the art may be able to specify the invention if at least the connection destination of a circuit is specified. Alternatively, if at least the function of a certain circuit is specified, a person skilled in the art may be able to specify the invention. That is, it can be said that one aspect of the invention is clear by specifying the function. In some cases, it may be possible to determine that one aspect of the invention whose function is specified is described in this specification and the like. Therefore, even if the function of a certain circuit is not specified, if the connection destination is specified, it is disclosed as one mode of the invention and can constitute one mode of the invention. Alternatively, if the function of a certain circuit is specified without specifying the connection destination, it is disclosed as one mode of the invention and can constitute one mode of the invention.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章におい
て、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、
ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り
出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成する
ことが可能であるものとする。そのため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオード
など)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体、有機材
料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数または複数記載された図面ま
たは文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能である
ものとする。例えば、N個(Nは整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有し
て構成される回路図から、M個(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量
素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、N
個(Nは整数)の層を有して構成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を
抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、N個(
Nは整数)の要素を有して構成されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)
の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。
Note that, in this specification and the like, it is possible to configure one aspect of the invention by extracting a part of a diagram or text described in one embodiment. therefore,
When a figure or text describing a certain part is described, the content of the part of the figure or text is also disclosed as one aspect of the invention, and can constitute one aspect of the invention. Assume that there is Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitive elements, resistive elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductors, organic materials, inorganic materials, parts, devices, operation methods, manufacturing methods, etc. In the drawings or sentences in which one or more of are described, it is possible to take out a part thereof and constitute one aspect of the invention. For example, from a circuit diagram having N (N is an integer) circuit elements (transistors, capacitors, etc.), M (M is an integer, M<N) circuit elements (transistors, capacitors, etc.) etc.) to form one aspect of the invention. As another example, N
It is possible to configure one embodiment of the invention by extracting M layers (M is an integer and M<N) from a cross-sectional view having layers (N is an integer). As yet another example, N (
N is an integer) from the flow chart configured with M elements (M is an integer and M<N)
It is possible to construct one aspect of the invention by extracting the elements of.

<撮像装置>
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
<Imaging device>
An imaging device according to an aspect of the present invention will be described below.

図44(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置200の例を示す平面図である。撮像装
置200は、画素部210と、画素部210を駆動するための周辺回路260と、周辺回
路270、周辺回路280と、周辺回路290と、を有する。画素部210は、p行q列
(pおよびqは2以上の整数)のマトリクス状に配置された複数の画素211を有する。
周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路290は、それぞれ複
数の画素211に接続し、複数の画素211を駆動するための信号を供給する機能を有す
る。なお、本明細書等において、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280およ
び周辺回路290などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある
。例えば、周辺回路260は周辺回路の一部といえる。
FIG. 44A is a plan view showing an example of an imaging device 200 according to one aspect of the present invention. The imaging device 200 has a pixel section 210 , a peripheral circuit 260 for driving the pixel section 210 , a peripheral circuit 270 , a peripheral circuit 280 , and a peripheral circuit 290 . The pixel unit 210 has a plurality of pixels 211 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more).
The peripheral circuit 260 , the peripheral circuit 270 , the peripheral circuit 280 , and the peripheral circuit 290 each have a function of connecting to the plurality of pixels 211 and supplying signals for driving the plurality of pixels 211 . Note that in this specification and the like, all of the peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, the peripheral circuit 290, and the like may be referred to as a "peripheral circuit" or a "drive circuit." For example, the peripheral circuit 260 can be said to be part of the peripheral circuit.

また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換
回路の1つを有する。また、周辺回路は、画素部210を形成する基板上に形成してもよ
い。また、周辺回路は、その一部または全部にICチップ等の半導体装置を用いてもよい
。なお、周辺回路は、周辺回路260、周辺回路270、周辺回路280および周辺回路
290のいずれか一以上を省略してもよい。
Also, the peripheral circuit has at least one of a logic circuit, a switch, a buffer, an amplifier circuit, or a conversion circuit. Further, the peripheral circuit may be formed over the substrate forming the pixel portion 210 . Also, the peripheral circuit may use a semiconductor device such as an IC chip for part or all of it. Note that one or more of the peripheral circuit 260, the peripheral circuit 270, the peripheral circuit 280, and the peripheral circuit 290 may be omitted.

また、図44(B)に示すように、撮像装置200が有する画素部210において、画素
211を傾けて配置してもよい。画素211を傾けて配置することにより、行方向および
列方向の画素間隔(ピッチ)を短くすることができる。これにより、撮像装置200にお
ける撮像の品質をより高めることができる。
Further, as shown in FIG. 44B, in the pixel portion 210 included in the imaging device 200, the pixels 211 may be tilted. By arranging the pixels 211 at an angle, it is possible to shorten the pixel interval (pitch) in the row direction and the column direction. Thereby, the quality of imaging in the imaging device 200 can be further improved.

<画素の構成例1>
撮像装置200が有する1つの画素211を複数の副画素212で構成し、それぞれの副
画素212に特定の波長帯域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせる
ことで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
<Pixel configuration example 1>
A color image display is realized by configuring one pixel 211 of the imaging device 200 with a plurality of sub-pixels 212, and combining each sub-pixel 212 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength band. You can get information for

図45(A)は、カラー画像を取得するための画素211の一例を示す平面図である。図
45(A)に示す画素211は、赤(R)の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素212(以下、「副画素212R」ともいう)、緑(G)の波長帯域の光
を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212(以下、「副画素212G」ともい
う)および青(B)の波長帯域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212
(以下、「副画素212B」ともいう)を有する。副画素212は、フォトセンサとして
機能させることができる。
FIG. 45A is a plan view showing an example of pixels 211 for acquiring a color image. A pixel 211 illustrated in FIG. 45A includes a sub-pixel 212 (hereinafter also referred to as a “sub-pixel 212R”) provided with a color filter that transmits light in the wavelength band of red (R) and wavelength of green (G). A sub-pixel 212 provided with a color filter that transmits light in the band (hereinafter also referred to as a “sub-pixel 212G”) and a sub-pixel 212 provided with a color filter that transmits light in the blue (B) wavelength band.
(hereinafter also referred to as “sub-pixel 212B”). A sub-pixel 212 can function as a photosensor.

副画素212(副画素212R、副画素212G、および副画素212B)は、配線23
1、配線247、配線248、配線249、配線250と電気的に接続される。また、副
画素212R、副画素212G、および副画素212Bは、それぞれが独立した配線25
3に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目(nは1以上p以下の整数
)の画素211に接続された配線248および配線249を、それぞれ配線248[n]
および配線249[n]と記載する。また、例えばm列目(mは1以上q以下の整数)の
画素211に接続された配線253を、配線253[m]と記載する。なお、図45(A
)において、m列目の画素211が有する副画素212Rに接続する配線253を配線2
53[m]R、副画素212Gに接続する配線253を配線253[m]G、および副画
素212Bに接続する配線253を配線253[m]Bと記載している。副画素212は
、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
The subpixels 212 (the subpixels 212R, 212G, and 212B) are connected to the wirings 23
1, electrically connected to the wirings 247 , 248 , 249 , and 250 . In addition, the sub-pixel 212R, the sub-pixel 212G, and the sub-pixel 212B are connected to independent wirings 25, respectively.
3 is connected. In this specification and the like, for example, the wiring 248 and the wiring 249 connected to the pixel 211 in the n-th row (n is an integer of 1 to p) are replaced with a wiring 248[n].
and wiring 249[n]. Also, for example, the wiring 253 connected to the pixel 211 in the m-th column (m is an integer equal to or greater than q and equal to or less than q) is described as a wiring 253[m]. Note that FIG.
), the wiring 253 connected to the sub-pixel 212R of the pixel 211 in the m-th column is designated as the wiring 2
53[m]R, the wiring 253[m]G that connects to the sub-pixel 212G, and the wiring 253[m]B that connects to the sub-pixel 212B. The sub-pixel 212 is electrically connected to the peripheral circuit through the wiring.

また、撮像装置200は、隣接する画素211の、同じ波長帯域の光を透過するカラーフ
ィルタが設けられた副画素212同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する
。図45(B)に、n行(nは1以上p以下の整数)m列(mは1以上q以下の整数)に
配置された画素211が有する副画素212と、該画素211に隣接するn+1行m列に
配置された画素211が有する副画素212の接続例を示す。図45(B)において、n
行m列に配置された副画素212Rと、n+1行m列に配置された副画素212Rがスイ
ッチ201を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素212Gと、n
+1行m列に配置された副画素212Gがスイッチ202を介して接続されている。また
、n行m列に配置された副画素212Bと、n+1行m列に配置された副画素212Bが
スイッチ203を介して接続されている。
In addition, the imaging device 200 has a configuration in which sub-pixels 212 provided with color filters that transmit light in the same wavelength band of adjacent pixels 211 are electrically connected to each other via a switch. FIG. 45B shows a sub-pixel 212 of a pixel 211 arranged in n rows (n is an integer of 1 or more and p or less and m columns (m is an integer of 1 or more and q or less)) and sub-pixels 212 adjacent to the pixels 211 . An example of connection of sub-pixels 212 included in a pixel 211 arranged in n+1 rows and m columns is shown. In FIG. 45(B), n
The sub-pixel 212R arranged in row m column and the sub-pixel 212R arranged in n+1 row m column are connected via the switch 201 . In addition, sub-pixels 212G arranged in n rows and m columns, and n
A sub-pixel 212G arranged at +1 row and m column is connected via a switch 202 . Also, the sub-pixel 212B arranged in n rows and m columns and the sub-pixel 212B arranged in n+1 rows and m columns are connected via the switch 203 .

なお、副画素212に用いるカラーフィルタは、赤(R)、緑(G)、青(B)に限定さ
れず、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィ
ルタを用いてもよい。1つの画素211に3種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素
212を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
Note that the color filters used for the sub-pixels 212 are not limited to red (R), green (G), and blue (B), and transmit cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, respectively. Color filters may also be used. A full-color image can be obtained by providing one pixel 211 with sub-pixels 212 that detect light in three different wavelength bands.

または、それぞれ赤(R)、緑(G)および青(B)の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素212に加えて、黄(Y)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副
画素212を有する画素211を用いてもよい。または、それぞれシアン(C)、黄(Y
)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212に加え
て、青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素212を有する画素21
1を用いてもよい。1つの画素211に4種類の異なる波長帯域の光を検出する副画素2
12を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
Alternatively, in addition to the sub-pixels 212 provided with color filters that transmit red (R), green (G), and blue (B) light, color filters that transmit yellow (Y) light are provided. Pixels 211 with sub-pixels 212 may be used. Alternatively, cyan (C), yellow (Y
) and sub-pixels 212 provided with color filters that transmit magenta (M) light, and sub-pixels 212 provided with color filters that transmit blue (B) light.
1 may be used. Sub-pixel 2 for detecting light of four different wavelength bands in one pixel 211
By providing 12, it is possible to further improve the color reproducibility of the acquired image.

また、例えば、図45(A)において、赤の波長帯域の光を検出する副画素212、緑の
波長帯域の光を検出する副画素212、および青の波長帯域の光を検出する副画素212
の画素数比(または受光面積比)は、1:1:1でなくても構わない。例えば、画素数比
(受光面積比)を赤:緑:青=1:2:1とするBayer配列としてもよい。または、
画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:6:1としてもよい。
Further, for example, in FIG. 45A, sub-pixels 212 that detect light in the red wavelength band, sub-pixels 212 that detect light in the green wavelength band, and sub-pixels 212 that detect light in the blue wavelength band
, the ratio of the number of pixels (or light receiving area ratio) may not be 1:1:1. For example, a Bayer array having a pixel number ratio (light-receiving area ratio) of red:green:blue=1:2:1 may be used. or,
The pixel number ratio (light-receiving area ratio) may be red:green:blue=1:6:1.

なお、画素211に設ける副画素212は1つでもよいが、2つ以上が好ましい。例えば
、同じ波長帯域の光を検出する副画素212を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮
像装置200の信頼性を高めることができる。
Note that one sub-pixel 212 may be provided in the pixel 211, but two or more sub-pixels are preferable. For example, by providing two or more sub-pixels 212 that detect light in the same wavelength band, redundancy can be increased and the reliability of the imaging device 200 can be increased.

また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するIR(IR:Infrared)
フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置200を実現することができる。
IR (IR: Infrared) that absorbs or reflects visible light and transmits infrared light
By using a filter, the imaging device 200 that detects infrared light can be realized.

また、ND(ND:Neutral Density)フィルタ(減光フィルタ)を用い
ることで、光電変換素子(受光素子)に大光量光が入射した時に生じる出力飽和すること
を防ぐことができる。減光量の異なるNDフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装
置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
Moreover, by using an ND (Neutral Density) filter (dark filter), it is possible to prevent output saturation that occurs when a large amount of light is incident on the photoelectric conversion element (light receiving element). By using a combination of ND filters with different light reduction amounts, the dynamic range of the imaging device can be increased.

また、前述したフィルタ以外に、画素211にレンズを設けてもよい。ここで、図46の
断面図を用いて、画素211、フィルタ254、レンズ255の配置例を説明する。レン
ズ255を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体
的には、図46(A)に示すように、画素211に形成したレンズ255、フィルタ25
4(フィルタ254R、フィルタ254Gおよびフィルタ254B)、および画素回路2
30等を通して光256を光電変換素子220に入射させる構造とすることができる。
In addition to the filters described above, the pixels 211 may be provided with lenses. Here, an arrangement example of the pixel 211, the filter 254, and the lens 255 will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. By providing the lens 255, the photoelectric conversion element can efficiently receive incident light. Specifically, as shown in FIG.
4 (filter 254R, filter 254G and filter 254B), and pixel circuit 2
A structure can be employed in which the light 256 is incident on the photoelectric conversion element 220 through 30 or the like.

ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光256の一部が配線257の
一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図46(B)に示すように光電
変換素子220側にレンズ255およびフィルタ254を配置して、光電変換素子220
が光256を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子220側から光256を
光電変換素子220に入射させることで、検出感度の高い撮像装置200を提供すること
ができる。
However, part of the light 256 indicated by the arrow may be blocked by part of the wiring 257 as shown in the area surrounded by the dashed line. Therefore, as shown in FIG. 46B, the lens 255 and the filter 254 are arranged on the side of the photoelectric conversion element 220, and the photoelectric conversion element 220
A structure that efficiently receives the light 256 is preferable. By causing the light 256 to enter the photoelectric conversion element 220 from the photoelectric conversion element 220 side, the imaging device 200 with high detection sensitivity can be provided.

図46に示す光電変換素子220として、pn型接合またはpin型の接合が形成された
光電変換素子を用いてもよい。
A photoelectric conversion element in which a pn-type junction or a pin-type junction is formed may be used as the photoelectric conversion element 220 shown in FIG.

また、光電変換素子220を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用
いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セ
レン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金
等がある。
Alternatively, the photoelectric conversion element 220 may be formed using a substance that has a function of absorbing radiation and generating electric charge. Selenium, lead iodide, mercury iodide, gallium arsenide, cadmium telluride, cadmium-zinc alloys, and the like are examples of substances that absorb radiation and generate charges.

例えば、光電変換素子220にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、
X線や、ガンマ線といった幅広い波長帯域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子2
20を実現できる。
For example, when selenium is used for the photoelectric conversion element 220, in addition to visible light, ultraviolet light, and infrared light,
A photoelectric conversion element 2 having a light absorption coefficient over a wide wavelength band such as X-rays and gamma rays
20 can be realized.

ここで、撮像装置200が有する1つの画素211は、図45に示す副画素212に加え
て、第1のフィルタを有する副画素212を有してもよい。
Here, one pixel 211 of the imaging device 200 may have a sub-pixel 212 having a first filter in addition to the sub-pixel 212 shown in FIG.

<画素の構成例2>
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を
用いて画素を構成する一例について説明する。
<Example 2 of Pixel Configuration>
An example of forming a pixel using a transistor using silicon and a transistor using an oxide semiconductor is described below.

図47(A)、図47(B)は、撮像装置を構成する素子の断面図である。 47(A) and 47(B) are cross-sectional views of elements constituting an imaging device.

図47(A)に示す撮像装置は、シリコン基板300に設けられたシリコンを用いたトラ
ンジスタ351、トランジスタ351上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタ353、およびシリコン基板300に設けられた、アノード361と、カソード
362を有するフォトダイオード360を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード
360は、種々のプラグ370および配線371、配線372、配線373と電気的な接
続を有する。また、フォトダイオード360のアノード361は、低抵抗領域363を介
してプラグ370と電気的に接続を有する。
The imaging device illustrated in FIG. 47A includes a transistor 351 using silicon provided over a silicon substrate 300 , a transistor 353 using an oxide semiconductor stacked over the transistor 351 , and a transistor 353 provided over the silicon substrate 300 . includes a photodiode 360 having an anode 361 and a cathode 362, which are separated from each other. Each transistor and photodiode 360 has electrical connections with various plugs 370 and wires 371 , 372 , 373 . Also, the anode 361 of the photodiode 360 is electrically connected to the plug 370 through the low resistance region 363 .

また撮像装置は、シリコン基板300に設けられたトランジスタ351およびフォトダイ
オード360を有する層310と、層310と接して設けられ、配線371を有する層3
20と、層320と接して設けられ、トランジスタ353を有する層330と、層330
と接して設けられ、配線372および配線373を有する層340を備えている。
The imaging device includes a layer 310 having a transistor 351 and a photodiode 360 provided over a silicon substrate 300 and a layer 310 provided in contact with the layer 310 and having a wiring 371 .
20, a layer 330 provided in contact with layer 320 and having transistor 353, and layer 330
and includes a layer 340 having wiring 372 and wiring 373 .

なお、図47(A)の断面図の一例では、シリコン基板300において、トランジスタ3
51が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード360の受光面を有する構成とする
。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保するこ
とができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオー
ド360の受光面をトランジスタ351が形成された面と同じとすることもできる。
Note that in the example of the cross-sectional view of FIG. 47A, the transistor 3
The light-receiving surface of the photodiode 360 is provided on the surface opposite to the surface on which 51 is formed. With this structure, an optical path can be secured without being affected by various transistors, wiring, and the like. Therefore, a pixel with a high aperture ratio can be formed. Note that the light receiving surface of the photodiode 360 can be the same as the surface on which the transistor 351 is formed.

なお、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いて画素を構成する場合には、層310を
、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層310を省略し
、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
Note that in the case where a pixel is formed using a transistor using an oxide semiconductor, the layer 310 may be a layer including a transistor using an oxide semiconductor. Alternatively, the layer 310 may be omitted and a pixel may be formed using only a transistor including an oxide semiconductor.

また、図47(A)の断面図において、層310に設けるフォトダイオード360と、層
330に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素
の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
In addition, in the cross-sectional view of FIG. 47A, the photodiode 360 provided in the layer 310 and the transistor provided in the layer 330 can be formed so as to overlap with each other. Then, the degree of integration of pixels can be increased. That is, the resolution of the imaging device can be enhanced.

また、図47(B)は、撮像装置は層340側にフォトダイオード365をトランジスタ
の上に配置した構造とすることができる。図47(B)において、例えば層310には、
シリコンを用いたトランジスタ351を有し、層320には配線371を有し、層330
には酸化物半導体を用いたトランジスタ353、絶縁層380を有し、層340にはフォ
トダイオード365を有しており、配線373と、プラグ370を介した配線374と電
気的に接続している。
In addition, in FIG. 47B, the imaging device can have a structure in which a photodiode 365 is arranged over a transistor on the layer 340 side. In FIG. 47B, for example, the layer 310 has
The layer 320 has a transistor 351 using silicon, the layer 320 has a wiring 371 , and the layer 330 has a wiring 371 .
The layer 340 includes a transistor 353 using an oxide semiconductor and an insulating layer 380 , and the layer 340 includes a photodiode 365 and is electrically connected to a wiring 373 and a wiring 374 through a plug 370 . .

図47(B)に示す素子構成とすることで、開口率を向上させることができる。 With the element structure shown in FIG. 47B, the aperture ratio can be improved.

また、フォトダイオード365には、非晶質シリコン膜や微結晶シリコン膜などを用いた
pin型ダイオード素子などを用いてもよい。フォトダイオード365は、n型の半導体
368、i型の半導体367、およびp型の半導体366が順に積層された構成を有して
いる。i型の半導体367には非晶質シリコンを用いることが好ましい。また、p型の半
導体366およびn型の半導体368には、それぞれの導電型を付与するドーパントを含
む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンなどを用いることができる。非晶質シリコンを光
電変換層とするフォトダイオード365は可視光の波長領域における感度が高く、微弱な
可視光を検知しやすい。
Alternatively, the photodiode 365 may be a pin-type diode element using an amorphous silicon film, a microcrystalline silicon film, or the like. The photodiode 365 has a structure in which an n-type semiconductor 368, an i-type semiconductor 367, and a p-type semiconductor 366 are stacked in order. Amorphous silicon is preferably used for the i-type semiconductor 367 . For the p-type semiconductor 366 and the n-type semiconductor 368, amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like containing a dopant imparting conductivity type can be used. The photodiode 365 having a photoelectric conversion layer made of amorphous silicon has high sensitivity in the visible light wavelength region and can easily detect weak visible light.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体層を有したトランジスタ(
OSトランジスタ)を適用可能な回路構成の一例について、図48乃至51を用いて説明
する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, the transistor including the oxide semiconductor layer described in the above embodiment (
An example of a circuit configuration to which an OS transistor) can be applied will be described with reference to FIGS.

図48(A)には、メモリ、FPGA、CPUなどに適用することができるインバータの
回路図を示す。インバータ2800は、入力端子INに与える信号の論理を反転した信号
を出力端子OUTに出力する。インバータ2800は、複数のOSトランジスタを有する
。信号SBGは、OSトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。
FIG. 48A shows a circuit diagram of an inverter that can be applied to memories, FPGAs, CPUs, and the like. The inverter 2800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the signal applied to the input terminal IN to the output terminal OUT. The inverter 2800 has multiple OS transistors. The signal SBG is a signal that can switch the electrical characteristics of the OS transistor.

図48(B)は、インバータ2800の一例となる回路図である。インバータ2800は
、OSトランジスタ2810、およびOSトランジスタ2820を有する。インバータ2
800は、nチャネル型で作製することができ、所謂単極性の回路構成とすることができ
る。単極性の回路構成でインバータを作製できるため、CMOS(Complement
ary Metal Oxide Semiconductor)回路でインバータ(C
MOSインバータ)を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。
FIG. 48B is a circuit diagram of an example of the inverter 2800. As shown in FIG. Inverter 2800 has OS transistor 2810 and OS transistor 2820 . Inverter 2
800 can be fabricated as an n-channel type and can have a so-called unipolar circuit configuration. Since the inverter can be manufactured with a unipolar circuit configuration, CMOS (Complement
Inverter (C
It can be manufactured at a lower cost than when manufacturing a MOS inverter).

なおOSトランジスタを有するインバータ2800は、Siトランジスタで構成されるC
MOS回路上に配置することもできる。インバータ2800は、CMOSの回路構成に重
ねて配置できるため、インバータ2800を追加する分の回路面積の増加を抑えることが
できる。
Note that the inverter 2800 having an OS transistor is a C transistor composed of a Si transistor.
It can also be placed on a MOS circuit. Since the inverter 2800 can be overlapped with the CMOS circuit configuration, an increase in circuit area due to the addition of the inverter 2800 can be suppressed.

OSトランジスタ2810、OSトランジスタ2820は、フロントゲートとして機能す
る第1ゲートと、バックゲートとして機能する第2ゲートと、ソースまたはドレインの一
方として機能する第1端子、ソースまたはドレインの他方として機能する第2端子を有す
る。
The OS transistors 2810 and 2820 each have a first gate functioning as a front gate, a second gate functioning as a back gate, a first terminal functioning as one of the source or the drain, and a first terminal functioning as the other of the source or the drain. It has two terminals.

OSトランジスタ2810の第1ゲートは、第2端子に接続される。OSトランジスタ2
810の第2ゲートは、信号SBGを伝える配線に接続される。OSトランジスタ281
0の第1端子は、電圧VDDを与える配線に接続される。OSトランジスタ2810の第
2端子は、出力端子OUTに接続される。
A first gate of the OS transistor 2810 is connected to the second terminal. OS transistor 2
A second gate of 810 is connected to a wire carrying signal SBG . OS transistor 281
A first terminal of 0 is connected to a wire that provides voltage VDD. A second terminal of the OS transistor 2810 is connected to the output terminal OUT.

OSトランジスタ2820の第1ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジス
タ2820の第2ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ2820の第
1端子は、出力端子OUTに接続される。OSトランジスタ2820の第2端子は、電圧
VSSを与える配線に接続される。
A first gate of the OS transistor 2820 is connected to the input terminal IN. A second gate of the OS transistor 2820 is connected to the input terminal IN. A first terminal of the OS transistor 2820 is connected to the output terminal OUT. A second terminal of the OS transistor 2820 is connected to a wiring that supplies the voltage VSS.

図48(C)は、インバータ2800の動作を説明するためのタイミングチャートである
。図48(C)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの
信号波形、信号SBGの信号波形、およびOSトランジスタ2810の閾値電圧の変化に
ついて示している。
FIG. 48C is a timing chart for explaining the operation of inverter 2800. In FIG. The timing chart in FIG. 48C shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the signal waveform of the signal SBG , and the threshold voltage of the OS transistor 2810 .

信号SBGはOSトランジスタ2810の第2ゲートに与えることで、OSトランジスタ
2810の閾値電圧を制御することができる。
By supplying the signal SBG to the second gate of the OS transistor 2810, the threshold voltage of the OS transistor 2810 can be controlled.

信号SBGは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧VBG_A、閾値電圧をプラ
スシフトさせるための電圧VBG_Bを有する。第2ゲートに電圧VBG_Aを与えるこ
とで、OSトランジスタ2810は閾値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることがで
きる。また、第2ゲートに電圧VBG_Bを与えることで、OSトランジスタ2810は
閾値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることができる。
The signal S BG has a voltage V BG_A for negatively shifting the threshold voltage and a voltage V BG_B for positively shifting the threshold voltage. Applying the voltage V BG_A to the second gate allows the OS transistor 2810 to be negatively shifted to the threshold voltage V TH_A . By applying the voltage V BG_B to the second gate, the OS transistor 2810 can be positively shifted to the threshold voltage V TH_B .

前述の説明を可視化するために、図49(A)には、トランジスタの電気特性の一つであ
る、Vg-Idカーブのグラフを示す。
In order to visualize the above description, FIG. 49A shows a graph of a Vg-Id curve, which is one of the electrical characteristics of a transistor.

上述したOSトランジスタ2810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_A
ように大きくすることで、図49(A)中の破線2840で表される曲線にシフトさせる
ことができる。また、上述したOSトランジスタ2810の電気特性は、第2ゲートの電
圧を電圧VBG_Bのように小さくすることで、図49(A)中の実線2841で表され
る曲線にシフトさせることができる。図49(A)に示すように、OSトランジスタ28
10は、信号SBGを電圧VBG_Aあるいは電圧VBG_Bというように切り替えるこ
とで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。
The electrical characteristics of the OS transistor 2810 described above can be shifted to the curve represented by the dashed line 2840 in FIG. 49A by increasing the voltage of the second gate to VBG_A . In addition, the electrical characteristics of the OS transistor 2810 described above can be shifted to a curve represented by a solid line 2841 in FIG. 49A by reducing the voltage of the second gate to the voltage VBG_B . As shown in FIG. 49A, the OS transistor 28
10 can shift the threshold voltage positively or negatively by switching the signal S BG between the voltage V BG_A and the voltage V BG_B .

閾値電圧を閾値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることで、OSトランジスタ2810
は電流が流れにくい状態とすることができる。図49(B)には、この状態を可視化して
示す。図49(B)に図示するように、OSトランジスタ2810に流れる電流Iを極
めて小さくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がハイレベルでOS
トランジスタ2820はオン状態(ON)のとき、出力端子OUTの電圧の下降を急峻に
行うことができる。
By positively shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH_B , the OS transistor 2810
can be in a state in which it is difficult for current to flow. FIG. 49B visualizes this state. As shown in FIG. 49B, the current IB flowing through the OS transistor 2810 can be made extremely small. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at a high level, OS
When the transistor 2820 is on (ON), the voltage of the output terminal OUT can drop sharply.

図49(B)に図示したように、OSトランジスタ2810に流れる電流が流れにくい状
態とすることができるため、図48(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の
信号波形2831を急峻な変化にすることができる。電圧VDDを与える配線と、電圧V
SSを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力で
の動作を行うことができる。
As shown in FIG. 49B, a state in which it is difficult for current to flow through the OS transistor 2810 can be achieved, so that the signal waveform 2831 of the output terminal in the timing chart shown in FIG. be able to. Wiring for applying voltage VDD and voltage V
Since it is possible to reduce the through current flowing between the SS and the wiring, it is possible to operate with low power consumption.

また、閾値電圧を閾値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることで、OSトランジスタ
2810は電流が流れやすい状態とすることができる。図49(C)には、この状態を可
視化して示す。図49(C)に図示するように、このとき流れる電流Iを少なくとも電
流Iよりも大きくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がローレベ
ルでOSトランジスタ2820はオフ状態(OFF)のとき、出力端子OUTの電圧の上
昇を急峻に行うことができる。
Further, by negatively shifting the threshold voltage to the threshold voltage VTH_A , the OS transistor 2810 can be in a state where current easily flows. FIG. 49(C) visualizes this state. As shown in FIG. 49(C), the current IA flowing at this time can be at least greater than the current IB . Therefore, when the signal supplied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 2820 is in the off state (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be sharply increased.

図49(C)に図示したように、OSトランジスタ2810に流れる電流が流れやすい状
態とすることができるため、図48(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の
信号波形2832を急峻な変化にすることができる。
As shown in FIG. 49C, current can easily flow through the OS transistor 2810, so that the signal waveform 2832 of the output terminal in the timing chart in FIG. be able to.

なお、信号SBGによるOSトランジスタ2810の閾値電圧の制御は、OSトランジス
タ2820の状態が切り替わる以前、すなわち時刻T1やT2よりも前に行うことが好ま
しい。例えば、図48(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がハイレベル
に切り替わる時刻T1よりも前に、閾値電圧VTH_Aから閾値電圧VTH_BにOSト
ランジスタ2810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図48(C)に図示
するように、入力端子INに与える信号がローレベルに切り替わる時刻T2よりも前に、
閾値電圧VTH_Bから閾値電圧VTH_AにOSトランジスタ2810の閾値電圧を切
り替えることが好ましい。
Note that the control of the threshold voltage of the OS transistor 2810 with the signal SBG is preferably performed before the state of the OS transistor 2820 is switched, that is, before the times T1 and T2. For example, as illustrated in FIG. 48C, the threshold voltage of the OS transistor 2810 can be switched from the threshold voltage V TH_A to the threshold voltage V TH_B before time T1 at which the signal applied to the input terminal IN switches to high level. is preferred. Further, as shown in FIG. 48(C), before the time T2 at which the signal applied to the input terminal IN switches to low level,
It is preferable to switch the threshold voltage of the OS transistor 2810 from the threshold voltage V TH_B to the threshold voltage V TH_A .

なお、図48(C)のタイミングチャートでは、入力端子INに与える信号に応じて信号
BGを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。例えば、閾値電圧を制御す
るための電圧は、フローティング状態としたOSトランジスタ2810の第2ゲートに保
持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図50(A
)に示す。
Note that the timing chart in FIG. 48C shows a structure in which the signal SBG is switched according to the signal applied to the input terminal IN, but another structure may be employed. For example, a voltage for controlling the threshold voltage may be held in the second gate of the OS transistor 2810 which is in a floating state. FIG. 50 (A
).

図50(A)では、図48(B)で示した回路構成に加えて、OSトランジスタ2850
を有する。OSトランジスタ2850の第1端子は、OSトランジスタ2810の第2ゲ
ートに接続される。またOSトランジスタ2850の第2端子は、電圧VBG_B(ある
いは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。OSトランジスタ2850の第1ゲー
トは、信号Sを与える配線に接続される。OSトランジスタ2850の第2ゲートは、
電圧VBG_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。
In FIG. 50A, in addition to the circuit configuration shown in FIG. 48B, an OS transistor 2850
have A first terminal of OS transistor 2850 is connected to a second gate of OS transistor 2810 . A second terminal of the OS transistor 2850 is connected to a wiring that supplies the voltage V BG_B (or the voltage V BG_A ). A first gate of OS transistor 2850 is connected to a wiring that supplies signal SF . The second gate of OS transistor 2850 is
It is connected to a wiring that gives voltage V BG_B (or voltage V BG_A ).

図50(A)の回路構成の動作について、図50(B)のタイミングチャートを用いて説
明する。
The operation of the circuit configuration in FIG. 50A will be described with reference to the timing chart in FIG. 50B.

OSトランジスタ2810の閾値電圧を制御するための電圧は、入力端子INに与える信
号がハイレベルに切り替わる時刻T3よりも前に、OSトランジスタ2810の第2ゲー
トに与える構成とする。信号SをハイレベルとしてOSトランジスタ2850をオン状
態とし、ノードNBGに閾値電圧を制御するための電圧VBG_Bを与える。
A voltage for controlling the threshold voltage of the OS transistor 2810 is applied to the second gate of the OS transistor 2810 before time T3 when the signal applied to the input terminal IN switches to high level. The signal SF is set to a high level to turn on the OS transistor 2850, and the voltage VBG_B for controlling the threshold voltage is applied to the node NBG .

ノードNBGが電圧VBG_Bとなった後は、OSトランジスタ2850をオフ状態とす
る。OSトランジスタ2850は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けるこ
とで、一旦ノードNBGに保持させた電圧VBG_Bを保持することができる。そのため
、OSトランジスタ2850の第2ゲートに電圧VBG_Bを与える動作の回数が減るた
め、電圧VBG_Bの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。
After the node NBG reaches the voltage VBG_B , the OS transistor 2850 is turned off. Since the off-state current of the OS transistor 2850 is extremely low, the voltage V BG_B that was once held at the node N BG can be held by keeping it off. Therefore, the number of operations for applying the voltage VBG_B to the second gate of the OS transistor 2850 is reduced, so that power consumption required for rewriting the voltage VBG_B can be reduced.

なお、図48(B)および図50(A)の回路構成では、OSトランジスタ2810の第
2ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成
としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子INに与える信号を
基に生成し、OSトランジスタ2810の第2ゲートに与える構成としてもよい。当該構
成を実現可能な回路構成の一例について、図51(A)に示す。
Note that in the circuit configurations of FIGS. 48B and 50A, the voltage applied to the second gate of the OS transistor 2810 is externally controlled; however, another configuration may be employed. For example, a voltage for controlling the threshold voltage may be generated based on a signal applied to the input terminal IN and applied to the second gate of the OS transistor 2810 . FIG. 51A shows an example of a circuit configuration that can realize this configuration.

図51(A)では、図48(B)で示した回路構成において、入力端子INとOSトラン
ジスタ2810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ2860を有する。CMOSイ
ンバータ2860の入力端子は、入力端子INに接続される。CMOSインバータ286
0の出力端子は、OSトランジスタ2810の第2ゲートに接続される。
51A, a CMOS inverter 2860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 2810 in the circuit configuration shown in FIG. 48B. The input terminal of CMOS inverter 2860 is connected to input terminal IN. CMOS inverter 286
The 0 output terminal is connected to the second gate of the OS transistor 2810 .

図51(A)の回路構成の動作について、図51(B)のタイミングチャートを用いて説
明する。図51(B)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子O
UTの信号波形、CMOSインバータ2860の出力波形IN_B、およびOSトランジ
スタ2810の閾値電圧の変化について示している。
The operation of the circuit configuration of FIG. 51(A) will be described with reference to the timing chart of FIG. 51(B). In the timing chart of FIG. 51(B), the signal waveform of the input terminal IN, the output terminal O
Changes in the UT signal waveform, the output waveform IN_B of the CMOS inverter 2860, and the threshold voltage of the OS transistor 2810 are shown.

入力端子INに与える信号の論理を反転した信号である出力波形IN_Bは、OSトラン
ジスタ2810の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図49(A
)乃至(C)で説明したように、OSトランジスタ2810の閾値電圧を制御できる。例
えば、図51(B)における時刻T4となるとき、入力端子INに与える信号がハイレベ
ルでOSトランジスタ2820はオン状態となる。このとき、出力波形IN_Bはローレ
ベルとなる。そのため、OSトランジスタ2810は電流が流れにくい状態とすることが
でき、出力端子OUTの電圧の下降を急峻に行うことができる。
The output waveform IN_B, which is a signal obtained by inverting the logic of the signal supplied to the input terminal IN, can be a signal that controls the threshold voltage of the OS transistor 2810 . Therefore, FIG. 49 (A
) to (C), the threshold voltage of the OS transistor 2810 can be controlled. For example, at time T4 in FIG. 51B, the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 2820 is turned on. At this time, the output waveform IN_B becomes low level. Therefore, the OS transistor 2810 can be in a state in which it is difficult for current to flow, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.

また、図51(B)における時刻T5となるとき、入力端子INに与える信号がローレベ
ルでOSトランジスタ2820はオフ状態となる。このとき、出力波形IN_Bはハイレ
ベルとなる。そのため、OSトランジスタ2810は電流が流れやすい状態とすることが
でき、出力端子OUTの電圧の上昇を急峻に行うことができる。
At time T5 in FIG. 51B, the signal applied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 2820 is turned off. At this time, the output waveform IN_B becomes high level. Therefore, the OS transistor 2810 can be in a state where current can easily flow, and the voltage of the output terminal OUT can be increased sharply.

以上説明したように本実施の形態の構成では、OSトランジスタを有するインバータにお
ける、バックゲートの電圧を入力端子INの信号の論理にしたがって切り替える。当該構
成とすることで、OSトランジスタの閾値電圧を制御することができる。OSトランジス
タの閾値電圧の制御を入力端子INに与える信号に併せて制御することで、出力端子OU
Tの電圧の変化を急峻にすることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を
小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
As described above, in the structure of this embodiment, the voltage of the back gate in the inverter including the OS transistor is switched according to the logic of the signal of the input terminal IN. With such a structure, the threshold voltage of the OS transistor can be controlled. By controlling the threshold voltage of the OS transistor in accordance with the signal applied to the input terminal IN, the output terminal OU
The change in voltage on T can be steep. In addition, it is possible to reduce the through current between the wirings that supply the power supply voltage. Therefore, low power consumption can be achieved.

(実施の形態5)
<RFタグ>
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むRF
タグについて、図52を用いて説明する。
(Embodiment 5)
<RF tag>
In this embodiment mode, an RF transistor including the transistor or the memory device described in the above embodiment mode is used.
A tag will be described with reference to FIG.

本実施の形態におけるRFタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶
し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このよう
な特徴から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個
体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極
めて高い信頼性が要求される。
The RF tag according to the present embodiment has a memory circuit inside, stores necessary information in the memory circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means such as wireless communication. Due to such features, RF tags can be used in individual authentication systems that identify articles by reading individual information on the articles. In addition, extremely high reliability is required for use in these applications.

RFタグの構成について図52を用いて説明する。図52は、RFタグの構成例を示すブ
ロック図である。
A configuration of the RF tag will be described with reference to FIG. FIG. 52 is a block diagram showing a configuration example of an RF tag.

図52に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどとも
いう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ8
04を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路8
07、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。
なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制
することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これに
より、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを
防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることがで
きる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を
行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する
電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方式
に用いることも可能である。
As shown in FIG. 52, the RF tag 800 has an antenna 8 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also called interrogator, reader/writer, etc.).
04. Further, the RF tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulator circuit 8
07, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a memory circuit 810, and a ROM 811.
Note that a material capable of sufficiently suppressing reverse current, such as an oxide semiconductor, may be used for the rectifying transistor included in the demodulation circuit 807 . As a result, it is possible to suppress the deterioration of the rectifying action caused by the reverse current and prevent the output of the demodulator from being saturated. That is, the output of the demodulation circuit can be made linear with respect to the input of the demodulation circuit. There are three major data transmission formats: the electromagnetic coupling method, in which a pair of coils are placed facing each other and communicate by mutual induction, the electromagnetic induction method, in which communication is performed by an induced electromagnetic field, and the radio wave method, in which communication is performed using radio waves. separated. The RF tag 800 shown in this embodiment can be used for any of these methods.

次に各回路の構成について説明する。アンテナ804は、通信器801に接続されたアン
テナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路8
05は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流
、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑
化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側また
は出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が
大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないよ
うに制御するための回路である。
Next, the configuration of each circuit will be described. Antenna 804 is for transmitting/receiving radio signal 803 to/from antenna 802 connected to communication device 801 . Also, the rectifier circuit 8
05 rectifies, for example, half-wave double voltage rectification of an input AC signal generated by receiving a radio signal at the antenna 804, and smoothes the rectified signal with a capacitive element provided in the latter stage. is a circuit for generating an input potential at . A limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805 . A limiter circuit is a circuit for controlling so that power exceeding a certain level is not input to a subsequent circuit when the amplitude of an input AC signal is large and the internally generated voltage is large.

定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための
回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよ
い。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路80
9のリセット信号を生成するための回路である。
A constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from an input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may have a reset signal generation circuit inside. The reset signal generation circuit uses the stable rise of the power supply voltage to generate the logic circuit 80
9 is a circuit for generating a reset signal.

復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成す
るための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応
じて変調を行うための回路である。
The demodulation circuit 807 is a circuit for demodulating the input AC signal by detecting its envelope and generating a demodulation signal. A modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation according to data output from the antenna 804 .

論理回路809は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、
入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを
有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行
うための回路である。
A logic circuit 809 is a circuit for analyzing and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is
A circuit that holds input information and has a row decoder, a column decoder, a storage area, and the like. A ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) and the like, and for outputting according to processing.

なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 It should be noted that each of the circuits described above can be omitted as appropriate, if necessary.

ここで、先の実施の形態で説明した半導体装置を、記憶回路810に用いることができる
。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため
、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、デー
タの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに
、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制するこ
とができる。
Here, the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the memory circuit 810 . The memory circuit of one embodiment of the present invention can hold information even when power is shut off; therefore, it can be suitably used for an RF tag. Furthermore, the memory circuit of one embodiment of the present invention requires significantly less power (voltage) for data writing than conventional nonvolatile memories, so that there is no difference in the maximum communication distance between reading and writing data. is also possible. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to power shortage during data writing.

また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるた
め、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデー
タを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにして
おくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで
、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ
固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることが
なく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
Further, since the memory circuit of one embodiment of the present invention can be used as a nonvolatile memory, it can also be applied to the ROM 811 . In that case, it is preferable that the manufacturer separately prepares a command for writing data into the ROM 811 so that the user cannot freely rewrite the data. By shipping the product after the producer writes the unique number before shipping, it is possible to assign a unique number only to the good products to be shipped instead of assigning a unique number to all the manufactured RF tags. To facilitate customer management corresponding to products after shipment without discontinuity of unique numbers of products after shipment.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment mode, a CPU including the storage device described in the previous embodiment mode will be described.

図53は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一
例の構成を示すブロック図である。
FIG. 53 is a block diagram showing a configuration of an example of a CPU using at least a part of the transistors described in the above embodiments.

<CPUの回路図>
図53に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmet
ic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラク
ションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ
1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1
198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有し
ている。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1
199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、
図53に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその
用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図53に示すCPUまたは演算回路
を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するよ
うな構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、
例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
<Circuit diagram of CPU>
The CPU shown in FIG. 53 has an ALU 1191 (ALU: Arithmet
ic logic unit, arithmetic circuit), ALU controller 1192, instruction decoder 1193, interrupt controller 1194, timing controller 1195, register 1196, register controller 1197, bus interface 1
198, a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189. A semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used as the substrate 1190 . ROM1
199 and ROM interface 1189 may be provided on separate chips. of course,
The CPU shown in FIG. 53 is merely an example of a simplified configuration, and actual CPUs have a wide variety of configurations depending on their uses. For example, a configuration including a CPU or an arithmetic circuit shown in FIG. 53 may be used as one core, a plurality of such cores may be included, and the respective cores may operate in parallel. Also, the number of bits that the CPU can handle in the internal arithmetic circuit and data bus is
For example, it can be 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, and so on.

バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクション
デコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタ
ラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ
1195に入力される。
Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193 , decoded, and input to the ALU controller 1192 , interrupt controller 1194 , register controller 1197 and timing controller 1195 .

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントロー
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行う。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するた
めの信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム
実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状
態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレ
スを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行う。
The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on decoded instructions. Specifically, ALU controller 1192 generates signals for controlling the operation of ALU 1191 . Further, the interrupt controller 1194 judges and processes interrupt requests from external input/output devices and peripheral circuits based on their priority and mask status during program execution by the CPU. A register controller 1197 generates an address for the register 1196 and reads or writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ119
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、および
レジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ1195は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成す
る内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
Also, the timing controller 1195 includes the ALU 1191 and the ALU controller 119
2. Generate signals that control the timing of the operation of instruction decoder 1193, interrupt controller 1194, and register controller 1197; For example, the timing controller 1195 has an internal clock generator that generates an internal clock signal based on the reference clock signal, and supplies the internal clock signal to the various circuits described above.

図53に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ
1196のメモリセルとして、実施の形態1に示したトランジスタを用いることができる
In the CPU shown in FIG. 53, the register 1196 is provided with memory cells. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in Embodiment 1 can be used.

図53に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの
指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ11
96が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量
素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が
選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる
。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換え
が行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる
In the CPU shown in FIG. 53, a register controller 1197 selects a holding operation in register 1196 according to instructions from ALU 1191 . That is, register 11
In the memory cell of 96, it is selected whether data is held by a flip-flop or a capacitor. When data holding by the flip-flop is selected, power supply voltage is supplied to the memory cells in the register 1196 . When data retention in the capacitor is selected, data is rewritten in the capacitor, and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

<記憶回路>
図54は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。
記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶
データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素
子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路
1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、
を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダク
タなどのその他の素子をさらに有していても良い。
<Memory circuit>
FIG. 54 is an example of a circuit diagram of a memory element that can be used as the register 1196. FIG.
The memory element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data volatilizes when power is cut off, a circuit 1202 in which stored data does not volatilize when power is cut off, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor element 1207, and a selection function. and a circuit 1220 having. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, a transistor 1210,
have Note that the memory element 1200 may further have other elements such as a diode, a resistor element, and an inductor, if necessary.

ここで、回路1202には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。
記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ120
9のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力さ
れ続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209の第1ゲートが抵抗等の負荷を介し
て接地される構成とする。
Here, the memory device described in the above embodiment can be used for the circuit 1202 .
When the supply of power supply voltage to the memory element 1200 is stopped, the transistor 120 of the circuit 1202
9, a ground potential (0 V) or a potential for turning off the transistor 1209 is continuously input. For example, the first gate of the transistor 1209 is grounded through a load such as a resistor.

スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用い
て構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)の
トランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端
子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2
の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203は
トランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の
端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状態
)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとドレ
インの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソースと
ドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力され
る制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、ト
ランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。
The switch 1203 is formed using a transistor 1213 having one conductivity type (eg, n-channel type), and the switch 1204 is formed using a transistor 1214 having a conductivity type opposite to the one conductivity type (eg, p-channel type). example. Here, the first terminal of switch 1203 corresponds to one of the source and drain of transistor 1213, and the second terminal of switch 1203 corresponds to one of the source and drain of transistor 1213.
corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1213, and the switch 1203 makes conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, ON state or OFF state of transistor 1213) is selected. A first terminal of switch 1204 corresponds to one of the source and drain of transistor 1214 , a second terminal of switch 1204 corresponds to the other of the source and drain of transistor 1214 , and switch 1204 is input to the gate of transistor 1214 . The control signal RD selects conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1214).

トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の第1の端子、お
よびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM
2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給するこ
とのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第
1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。ス
イッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイ
ッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的
に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレイ
ンの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッ
チ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッ
チ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素
子1206の入力端子と、容量素子1207の第1の端子と、は電気的に接続される。こ
こで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の第2の端子は、一定の電位が入
力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(
VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の第2の端子は、低
電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素
子1208の第2の端子は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、
低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることがで
きる。容量素子1208の第2の端子は、低電源電位を供給することのできる配線(例え
ばGND線)と電気的に接続される。
One of the source and drain of the transistor 1209 is electrically connected to the first terminal of the capacitor 1208 and the gate of the transistor 1210 . Here, the connection part is node M
2. One of the source and drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring capable of supplying a low power supply potential (eg, a GND line), and the other is connected to the first terminal of the switch 1203 (the source and drain of the transistor 1213). on the other hand). A second terminal of switch 1203 (the other of the source and drain of transistor 1213) is electrically connected to a first terminal of switch 1204 (one of the source and drain of transistor 1214). A second terminal of switch 1204 (the other of the source and drain of transistor 1214) is electrically connected to a wiring capable of supplying power supply potential VDD. The second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213), the first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214), the input terminal of the logic element 1206, and the capacitor 1207 is electrically connected to the first terminal. Here, the connection portion is assumed to be a node M1. A constant potential can be input to the second terminal of the capacitor 1207 . For example, low power supply potential (such as GND) or high power supply potential (
VDD, etc.) can be input. A second terminal of the capacitor 1207 is electrically connected to a wiring capable of supplying a low power supply potential (eg, a GND line). A constant potential can be input to the second terminal of the capacitor 1208 . for example,
A structure in which a low power supply potential (such as GND) or a high power supply potential (such as VDD) is input can be employed. A second terminal of the capacitor 1208 is electrically connected to a wiring capable of supplying a low power supply potential (eg, a GND line).

なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を
積極的に利用することによって省略することも可能である。
Note that the capacitors 1207 and 1208 can be omitted by positively using parasitic capacitance of transistors and wirings.

トランジスタ1209の第1ゲート(第1のゲート電極)には、制御信号WEが入力され
る。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RD
によって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のス
イッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第
2の端子の間は非導通状態となる。
A control signal WE is input to the first gate (first gate electrode) of the transistor 1209 . Switches 1203 and 1204 are controlled by control signal RD, which is different from control signal WE.
selects a conducting state or a non-conducting state between the first terminal and the second terminal by , and when the first terminal and the second terminal of one switch are in a conducting state, the first terminal of the other switch A non-conducting state is established between the terminal and the second terminal.

なお、図54におけるトランジスタ1209では第2ゲート(第2のゲート電極:バック
ゲート)を有する構成を図示している。第1ゲートには制御信号WEを入力し、第2ゲー
トには制御信号WE2を入力することができる。制御信号WE2は、一定の電位の信号と
すればよい。当該一定の電位には、例えば、接地電位GNDやトランジスタ1209のソ
ース電位よりも小さい電位などが選ばれる。このとき、制御信号WE2は、トランジスタ
1209のしきい値電圧を制御するための電位信号であり、ゲート電圧VGが0V時の電
流をより低減することができる。また、制御信号WE2は、制御信号WEと同じ電位信号
であってもよい。なお、トランジスタ1209としては、第2ゲートを有さないトランジ
スタを用いることもできる。
Note that the transistor 1209 in FIG. 54 shows a structure having a second gate (second gate electrode: back gate). A control signal WE can be input to the first gate, and a control signal WE2 can be input to the second gate. The control signal WE2 may be a signal with a constant potential. As the constant potential, for example, a potential lower than the ground potential GND or the source potential of the transistor 1209 is selected. At this time, the control signal WE2 is a potential signal for controlling the threshold voltage of the transistor 1209, and can further reduce the current when the gate voltage VG is 0V. Also, the control signal WE2 may be the same potential signal as the control signal WE. Note that a transistor without a second gate can be used as the transistor 1209 .

トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータ
に対応する信号が入力される。図54では、回路1201から出力された信号が、トラン
ジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の
第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、
論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介し
て回路1201に入力される。
A signal corresponding to data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209 . FIG. 54 shows an example in which the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and drain of the transistor 1209 . The signal output from the second terminal of switch 1203 (the other of the source and drain of transistor 1213) is
The logical value is inverted by the logic element 1206 to form an inverted signal, which is input to the circuit 1201 via the circuit 1220 .

なお、図54では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとド
レインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回
路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子
(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反
転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、
入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合
に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)
から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
FIG. 54 shows an example in which the signal output from the second terminal of switch 1203 (the other of the source and drain of transistor 1213) is input to circuit 1201 via logic element 1206 and circuit 1220. is not limited to A signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) may be input to the circuit 1201 without having its logic value inverted. For example, in circuit 1201,
If there is a node that holds a signal with the inverted logic value of the signal input from the input terminal, the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213)
can be input to the node.

また、図54において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジス
タ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板119
0にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層または
シリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子
1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトラン
ジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外に
も、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトラ
ンジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成され
るトランジスタとすることもできる。
In addition, in FIG. 54, transistors other than the transistor 1209 among the transistors included in the memory element 1200 are the layer or the substrate 119 formed of a semiconductor other than an oxide semiconductor.
A transistor in which a channel is formed at 0 can be used. For example, it can be a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate. Alternatively, all the transistors included in the memory element 1200 can be transistors whose channels are formed using an oxide semiconductor. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor in addition to the transistor 1209, and the channel of the remaining transistors is formed in a layer or substrate 1190 formed using a semiconductor other than an oxide semiconductor. It can also be a transistor that

図54における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。
また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いる
ことができる。
A flip-flop circuit, for example, can be used for the circuit 1201 in FIG.
As the logic element 1206, for example, an inverter, a clocked inverter, or the like can be used.

本発明の一態様における半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間
は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子120
8によって保持することができる。
In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, data stored in the circuit 1201 is stored in the capacitor 120 provided in the circuit 1202 while power supply voltage is not supplied to the memory element 1200 .
8 can be held.

また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例
えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有する
シリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため
、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子120
0に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保
たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ
)を保持することが可能である。
A transistor whose channel is formed in an oxide semiconductor has extremely low off-state current. For example, the off-state current of a transistor whose channel is formed in an oxide semiconductor is significantly lower than that of a transistor whose channel is formed in crystalline silicon. Therefore, by using the transistor as the transistor 1209, the memory element 120
The signal held in the capacitor 1208 is kept for a long time even while the power supply voltage is not supplied to 0. Thus, the memory element 1200 can retain memory contents (data) even while the supply of power supply voltage is stopped.

また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動
作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が
元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
In addition, since the memory element is characterized by performing a precharge operation by providing the switches 1203 and 1204, the time until the circuit 1201 retains the original data after the supply of power supply voltage is restarted is shortened. be able to.

また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ
1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開
された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(
オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ
故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号
を正確に読み出すことが可能である。
In addition, in the circuit 1202 , the signal held by the capacitor 1208 is input to the gate of the transistor 1210 . Therefore, after the supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is restarted, the signal held by the capacitor 1208 is changed to the state of the transistor 1210 (
on state or off state) and read out from the circuit 1202 . Therefore, even if the potential corresponding to the signal held in the capacitor 1208 slightly fluctuates, the original signal can be read accurately.

このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの
記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐこ
とができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰
することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、また
は複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を
抑えることができる。
By using such a memory element 1200 in a memory device such as a register of a processor or a cache memory, loss of data in the memory device due to stoppage of supply of power supply voltage can be prevented. In addition, after restarting the supply of the power supply voltage, the state before the power supply is stopped can be restored in a short period of time. Therefore, the entire processor or one or a plurality of logic circuits included in the processor can be powered off even for a short time, so that power consumption can be suppressed.

本実施の形態では、記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1
200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムL
SI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、R
F(Radio Frequency)タグにも応用可能である。
In this embodiment, an example in which the memory element 1200 is used for the CPU has been described.
200 is a DSP (Digital Signal Processor), custom L
LSI such as SI, PLD (Programmable Logic Device), R
It can also be applied to an F (Radio Frequency) tag.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した表示装置の構成例について
説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a structural example of a display device using a transistor of one embodiment of the present invention will be described.

<表示装置回路構成例>
図55(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図55(B)は、本発明の
一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明
するための回路図である。また、図55(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有
機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である
<Display device circuit configuration example>
FIG. 55A is a top view of a display device of one embodiment of the present invention, and FIG. 55B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention. 3 is a circuit diagram for explaining a pixel circuit; FIG. FIG. 55C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of a display device of one embodiment of the present invention.

画素部に配置するトランジスタは、実施の形態1に従って形成することができる。また、
当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル
型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基
板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを
用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
A transistor provided in the pixel portion can be formed according to Embodiment Mode 1. FIG. again,
Since the transistor can easily be an n-channel transistor, part of a driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. Thus, by using the transistor described in any of the above embodiments for the pixel portion and the driver circuit, a highly reliable display device can be provided.

アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図55(A)に示す。表示装置の基板
700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路70
3、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路
704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、および第2
の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域
には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の
基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部
を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。
An example of a top view of an active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 701, a first scanning line driver circuit 702, and a second scanning line driver circuit 70 are formed on the substrate 700 of the display device.
3. It has a signal line driver circuit 704 . In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are arranged extending from a signal line driver circuit 704, and a plurality of scanning lines are arranged in a first scanning line driver circuit 702 and a second scanning line driver circuit 702.
are arranged extending from the scanning line driving circuit 703 of . Pixels each having a display element are provided in a matrix in each intersection region between the scanning lines and the signal lines. Further, the substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or control IC) via a connecting portion such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図55(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線
駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設
ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板7
00の外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。なお、第1の走査線駆動
回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704のいずれかが基板70
0上に実装された構成や基板700の外部に設けられた構成としてもよい。
In FIG. 55A, the first scanning line driver circuit 702, the second scanning line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the substrate 700 where the pixel portion 701 is formed. As a result, the number of parts such as a driving circuit provided outside is reduced, so that the cost can be reduced. Also, the substrate 7
00, the wiring must be extended, and the number of connections between the wirings increases. When a driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between wirings can be reduced, and reliability or yield can be improved. Note that any one of the first scanning line driver circuit 702, the second scanning line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 is the substrate 70.
0 or provided outside the substrate 700 .

<液晶表示装置>
また、画素の回路構成の一例を図55(B)に示す。ここでは、一例としてVA型液晶表
示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
<Liquid crystal display device>
An example of the circuit configuration of a pixel is shown in FIG. Here, as an example, a pixel circuit that can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display device is shown.

この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの
画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動
できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素
電極層に印加する信号を、独立して制御できる。
This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by a different gate signal. As a result, the signals applied to the individual pixel electrode layers of the pixels designed in multi-domain can be independently controlled.

トランジスタ716の走査線712と、トランジスタ717の走査線713には、異なる
ゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、信号線714は、トラン
ジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトラ
ンジスタ717は実施の形態1で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これ
により、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
A scanning line 712 of the transistor 716 and a scanning line 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be applied. On the other hand, the signal line 714 is shared by the transistors 716 and 717 . The transistors described in Embodiment 1 can be used as appropriate for the transistors 716 and 717 . Thereby, a highly reliable liquid crystal display device can be provided.

また、トランジスタ716には、第1の画素電極層が電気的に接続され、トランジスタ7
17には、第2の画素電極層が電気的に接続される。第1の画素電極層と第2の画素電極
層とは、それぞれ分離されている。なお、第1の画素電極層及び第2の画素電極層の形状
としては、特に限定は無い。例えば、第1の画素電極層は、V字状とすればよい。
The transistor 716 is electrically connected to the first pixel electrode layer, and the transistor 716 is electrically connected to the first pixel electrode layer.
A second pixel electrode layer is electrically connected to 17 . The first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated from each other. Note that the shapes of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are not particularly limited. For example, the first pixel electrode layer may be V-shaped.

トランジスタ716のゲート電極は走査線712と接続され、トランジスタ717のゲー
ト電極は走査線713と接続されている。走査線712と走査線713に異なるゲート信
号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミングを異ならせ、液晶
の配向を制御できる。
A gate electrode of the transistor 716 is connected to the scanning line 712 and a gate electrode of the transistor 717 is connected to the scanning line 713 . By applying different gate signals to the scanning line 712 and the scanning line 713, the operation timing of the transistor 716 and the transistor 717 can be changed to control the orientation of the liquid crystal.

また、容量配線710と、誘電体として機能するゲート絶縁層と、第1の画素電極層また
は第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。
Alternatively, a storage capacitor may be formed by the capacitor wiring 710, a gate insulating layer functioning as a dielectric, and a capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.

マルチドメイン設計では、一画素に第1の液晶素子718と第2の液晶素子719を備え
る。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れ、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成さ
れる。
In a multi-domain design, one pixel has a first liquid crystal element 718 and a second liquid crystal element 719 . The first liquid crystal element 718 is composed of the first pixel electrode layer, the counter electrode layer, and the liquid crystal layer therebetween, and the second liquid crystal element 719 is composed of the second pixel electrode layer, the counter electrode layer, and the liquid crystal layer therebetween. consists of

なお、図55(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図55(B)に示
す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理
回路などを追加してもよい。
Note that the pixel circuit shown in FIG. 55B is not limited to this. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel circuit shown in FIG.

図56(A)、および図56(B)は、液晶表示装置の上面図および断面図の一例である
。なお、図56(A)では表示装置20、表示領域21、周辺回路22、およびFPC(
フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。図56で示す表
示装置は反射型液晶を用いている。
FIGS. 56A and 56B are an example of a top view and a cross-sectional view of a liquid crystal display device. Note that in FIG. 56A, the display device 20, the display area 21, the peripheral circuit 22, and the FPC (
A representative configuration with a flexible printed circuit board 42 is shown. The display device shown in FIG. 56 uses a reflective liquid crystal.

図56(B)に図56(A)の破線A-A’間、B-B’間、C-C’間、およびD-D
’間の断面図を示す。A-A’間は周辺回路部を示し、B-B’間は表示領域を示し、C
-C’間はFPCとの接続部を示す。
Between broken lines AA', BB', CC' and DD of FIG. 56(A) in FIG. 56(B)
' shows a cross-sectional view between. AA' indicates the peripheral circuit portion, BB' indicates the display area, and C
Between -C' indicates the connecting part with the FPC.

液晶素子を用いた表示装置20は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形
態1で示したトランジスタ10)の他、導電層165、導電層197、絶縁層420、液
晶層490、液晶素子80、容量素子60、容量素子62、絶縁層430、スペーサ44
0、着色層460、接着層470、導電層480、遮光層418、基板400、接着層4
73、接着層474、接着層475、接着層476、偏光板103、偏光板403、保護
基板105、保護基板402、異方性導電層510を有する。
The display device 20 using a liquid crystal element includes, in addition to the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 10 described in Embodiment 1), a conductive layer 165, a conductive layer 197, an insulating layer 420, a liquid crystal layer 490, a liquid crystal element 80, and a capacitor. Element 60, capacitive element 62, insulating layer 430, spacer 44
0, colored layer 460, adhesive layer 470, conductive layer 480, light shielding layer 418, substrate 400, adhesive layer 4
73 , adhesive layer 474 , adhesive layer 475 , adhesive layer 476 , polarizing plate 103 , polarizing plate 403 , protective substrate 105 , protective substrate 402 , and anisotropic conductive layer 510 .

<有機EL表示装置>
画素の回路構成の他の一例を図55(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示
装置の画素構造を示す。
<Organic EL display device>
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display device using an organic EL element is shown.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、
他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして
、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、そ
の励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光
素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
In the organic EL element, electrons are emitted from one of a pair of electrodes by applying a voltage to the light emitting element.
Holes are injected from the other into the layer containing a light-emitting organic compound, and current flows. Recombination of electrons and holes causes the light-emitting organic compound to form an excited state, and light is emitted when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is called a current-excited light-emitting element.

図55(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のト
ランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。また、当該画素回路は、デジタル時間階
調駆動を適用することができる。
FIG. 55C is a diagram showing an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. In addition, digital time gray scale driving can be applied to the pixel circuit.

適用可能な画素回路の構成およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作につ
いて説明する。
The configuration of an applicable pixel circuit and the operation of a pixel when digital time grayscale driving is applied will be described.

画素720は、スイッチング用トランジスタ721、駆動用トランジスタ722、発光素
子724および容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲ
ート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層およびドレイン電極層の
一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層およびドレイン電極層の他方
)が駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ7
22は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電
源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されて
いる。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一
基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
The pixel 720 has a switching transistor 721 , a driving transistor 722 , a light emitting element 724 and a capacitor 723 . The switching transistor 721 has a gate electrode layer connected to the scanning line 726, a first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) connected to the signal line 725, and a second electrode (the source electrode layer and the drain electrode layer). ) is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 722 . driving transistor 7
22, the gate electrode layer is connected to the power supply line 727 via the capacitor 723, the first electrode is connected to the power supply line 727, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 724. there is A second electrode of the light emitting element 724 corresponds to the common electrode 728 . Common electrode 728 is electrically connected to a common potential line formed on the same substrate.

スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722には実施の形態1乃
至3で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機
EL表示装置を提供することができる。
The transistors described in Embodiments 1 to 3 can be used as appropriate for the switching transistor 721 and the driving transistor 722 . This makes it possible to provide a highly reliable organic EL display device.

発光素子724の第2電極(共通電極728)の電位は低電源電位に設定する。なお、低
電源電位とは、電源線727に供給される高電源電位より低い電位であり、例えばGND
、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしきい
値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子724
に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子72
4の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しき
い値電圧を含む。
The potential of the second electrode (common electrode 728) of the light emitting element 724 is set to the low power supply potential. Note that the low power supply potential is a potential lower than the high power supply potential supplied to the power supply line 727;
, 0 V or the like can be set as the low power supply potential. A high power supply potential and a low power supply potential are set so as to be equal to or higher than the forward threshold voltage of the light emitting element 724 , and the potential difference between them is applied to the light emitting element 724 .
is applied to the light emitting element 724 to cause it to emit light. Note that the light emitting element 72
The forward voltage of 4 refers to the voltage at which the desired luminance is obtained, and includes at least the forward threshold voltage.

なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省
略できる。
Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722 .

次に、駆動用トランジスタ722に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方
式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態とな
るようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジス
タ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用ト
ランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆動
用トランジスタ722のしきい値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。
Next, signals input to the driving transistor 722 are described. In the case of the voltage input voltage driving method, a video signal is input to the driving transistor 722 so that the driving transistor 722 is sufficiently turned on or turned off. Note that a voltage higher than the voltage of the power supply line 727 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722 in order to operate the driving transistor 722 in the linear region. Further, a voltage equal to or higher than the sum of the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 and the power supply line voltage is applied to the signal line 725 .

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ722のゲート電極層に発光素子72
4の順方向電圧に駆動用トランジスタ722のしきい値電圧Vthを加えた値以上の電圧
をかける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入
力し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作
させるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高く
する。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を
流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
When performing analog gradation driving, the light emitting element 72 is provided in the gate electrode layer of the driving transistor 722 .
4 plus the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 is applied. Note that a video signal is input so that the driving transistor 722 operates in a saturation region, and current flows through the light emitting element 724 . In addition, the potential of the power supply line 727 is set higher than the gate potential of the driving transistor 722 in order to operate the driving transistor 722 in the saturation region. By using an analog video signal, a current corresponding to the video signal can be supplied to the light emitting element 724 to perform analog gradation driving.

なお、画素回路の構成は、図55(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図55
(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタまたは論
理回路などを追加してもよい。
Note that the configuration of the pixel circuit is not limited to the pixel configuration shown in FIG. For example, FIG.
A switch, a resistor element, a capacitor element, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit shown in (C).

図55(C)で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、
低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞ
れ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を
制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い
電位を印加するなど、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。
When applying the transistors exemplified in the above embodiments to the circuit exemplified in FIG.
A source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and a drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. Further, the potentials exemplified above can be input, such as by controlling the potential of the first gate electrode by a control circuit or the like and applying a lower potential than the potential applied to the source electrode to the second gate electrode through wiring (not shown). configuration.

図57(A)、および図57(B)は発光素子を用いた表示装置の上面図および断面図の
一例である。なお、図57(A)では表示装置24、表示領域21、周辺回路22、およ
びFPC(フレキシブルプリント基板)42を有する代表的な構成を図示している。
FIGS. 57A and 57B are an example of a top view and a cross-sectional view of a display device using a light-emitting element. It should be noted that FIG. 57A shows a typical configuration having a display device 24, a display area 21, a peripheral circuit 22, and an FPC (flexible printed circuit board) 42. FIG.

図57(B)に図57(A)の破線A-A’間、B-B’間、C-C’間の断面図を示す
。A-A’間は周辺回路部を示し、B-B’間は表示領域を示し、C-C’間はFPCと
の接続部を示す。
FIG. 57(B) shows cross-sectional views along broken lines AA', BB', and CC' in FIG. 57(A). AA' indicates the peripheral circuit portion, BB' indicates the display area, and CC' indicates the connecting portion with the FPC.

発光素子を用いた表示装置24は、トランジスタ50およびトランジスタ52(実施の形
態1で示したトランジスタ10)の他、導電層197、導電層410、光学調整層530
、EL層450、導電層415、発光素子70、容量素子60、容量素子62、絶縁層4
30、スペーサ440、着色層460、接着層470、隔壁445、遮光層418、基板
400、異方性導電層510を有する。
The display device 24 using a light-emitting element includes the transistor 50 and the transistor 52 (the transistor 10 described in Embodiment 1), the conductive layer 197, the conductive layer 410, and the optical adjustment layer 530.
, EL layer 450, conductive layer 415, light emitting element 70, capacitor 60, capacitor 62, insulating layer 4
30 , a spacer 440 , a colored layer 460 , an adhesive layer 470 , a partition 445 , a light shielding layer 418 , a substrate 400 and an anisotropic conductive layer 510 .

本明細書等において、例えば、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素
子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様
々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例え
ば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機
EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LED
など)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子
、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディス
プレイパネル(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、
デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター
)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション
)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチ
ューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的ま
たは磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を
有していても良い。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどが
ある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプ
レイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface-con
duction Electron-emitter Display)などがある。液
晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、
半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型
液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例
としては、電子ペーパーなどがある。
In this specification and the like, for example, a display device, a display device that is a device having a display device, a light-emitting device, and a light-emitting device that is a device having a light-emitting device use various forms or include various elements. can be done. Display elements, display devices, light-emitting elements or light-emitting devices include, for example, EL (electroluminescence) elements (EL elements containing organic and inorganic substances, organic EL elements, inorganic EL elements), LEDs (white LEDs, red LEDs, green LEDs, blue LED
etc.), transistors (transistors that emit light according to current), electron-emitting devices, liquid crystal devices, electronic inks, electrophoretic devices, grating light valves (GLV), plasma display panels (PDP), MEMS (micro-electro-mechanical devices), system),
Digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, electrowetting element, piezoelectric ceramic display, display element using carbon nanotubes, etc. have at least one of In addition to these, it may have a display medium in which contrast, brightness, reflectance, transmittance, etc. are changed by electrical or magnetic action. An example of a display device using an EL element is an EL display. Examples of display devices using electron-emitting devices include a field emission display (FED) or an SED flat panel display (SED: Surface-con
induction electron-emitter display) and the like. Examples of display devices using liquid crystal elements include liquid crystal displays (transmissive liquid crystal displays,
transflective liquid crystal display, reflective liquid crystal display, direct view liquid crystal display, and projection liquid crystal display). An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用した表示モジュールについて、図
58を用いて説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module to which a semiconductor device of one embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIGS.

<表示モジュール>
図58に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との
間に、FPC6003に接続されたタッチパネル6004、FPC6005に接続された
表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板
6010、バッテリー6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテ
リー6011、タッチパネル6004などは、設けられない場合もある。
<Display module>
A display module 6000 shown in FIG. It has a battery 6011 . Note that the backlight unit 6007, the battery 6011, the touch panel 6004, and the like may not be provided.

本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル6006であったり、プリント基板
に実装された集積回路に用いることができる。
A semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used, for example, in the display panel 6006 or an integrated circuit mounted over a printed circuit board.

上部カバー6001および下部カバー6002は、タッチパネル6004および表示パネ
ル6006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
The shape and dimensions of the upper cover 6001 and the lower cover 6002 can be appropriately changed according to the sizes of the touch panel 6004 and the display panel 6006 .

タッチパネル6004は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル6
006に重畳して用いることができる。また、表示パネル6006の対向基板(封止基板
)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、表示パネル6
006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネル機能を付加することも可能で
ある。または、表示パネル6006の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方
式のタッチパネル機能を付加することも可能である。
The touch panel 6004 is a resistive or capacitive touch panel.
006 can be used. In addition, it is also possible to provide a counter substrate (sealing substrate) of the display panel 6006 with a touch panel function. Or display panel 6
It is also possible to provide an optical sensor in each pixel of 006 to add an optical touch panel function. Alternatively, a touch sensor electrode can be provided in each pixel of the display panel 6006 to add a capacitive touch panel function.

バックライトユニット6007は、光源6008を有する。光源6008をバックライト
ユニット6007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
The backlight unit 6007 has a light source 6008 . The light source 6008 may be provided at the end of the backlight unit 6007 and a light diffusion plate may be used.

フレーム6009は、表示パネル6006の保護機能の他、プリント基板6010から発
生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレーム600
9は、放熱板としての機能を有していてもよい。
The frame 6009 has a function of protecting the display panel 6006 as well as a function as an electromagnetic shield for blocking electromagnetic waves generated from the printed circuit board 6010 . Also frame 600
9 may have a function as a heat sink.

プリント基板6010は、電源回路、ビデオ信号およびクロック信号を出力するための信
号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であって
も良いし、別途設けたバッテリー6011であってもよい。なお、商用電源を用いる場合
には、バッテリー6011を省略することができる。
A printed circuit board 6010 has a power supply circuit, a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. As a power supply for supplying power to the power supply circuit, an external commercial power supply or a separately provided battery 6011 may be used. Note that the battery 6011 can be omitted when a commercial power supply is used.

また、表示モジュール6000には、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追
加して設けてもよい。
Further, the display module 6000 may be additionally provided with members such as a polarizing plate, a retardation plate, and a prism sheet.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の使用例について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, usage examples of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described.

<リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージ>
図59(A)に、リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージの断面構造を表
す斜視図を示す。図59(A)に示すパッケージは、本発明の一態様に係る半導体装置に
相当するチップ1751が、ワイヤボンディング法により、インターポーザ1750上の
端子1752と接続されている。端子1752は、インターポーザ1750のチップ17
51がマウントされている面上に配置されている。そしてチップ1751はモールド樹脂
1753によって封止されていてもよいが、各端子1752の一部が露出した状態で封止
されるようにする。
<Package using lead frame type interposer>
FIG. 59A shows a perspective view showing a cross-sectional structure of a package using a lead frame interposer. In the package shown in FIG. 59A, a chip 1751 corresponding to a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is connected to terminals 1752 over an interposer 1750 by wire bonding. Terminal 1752 connects to chip 17 of interposer 1750
51 is placed on the surface on which it is mounted. The chip 1751 may be sealed with a mold resin 1753, but is sealed with a part of each terminal 1752 exposed.

パッケージが回路基板に実装されている電子機器(携帯電話)のモジュールの構成を、図
59(B)に示す。図59(B)に示す携帯電話のモジュールは、プリント配線基板18
01に、パッケージ1802と、バッテリー1804とが実装されている。また、表示素
子が設けられたパネル1800に、プリント配線基板1801がFPC1803によって
実装されている。
FIG. 59B shows the configuration of a module of an electronic device (mobile phone) in which a package is mounted on a circuit board. The mobile phone module shown in FIG.
01, a package 1802 and a battery 1804 are mounted. A printed wiring board 1801 is mounted by an FPC 1803 on a panel 1800 provided with display elements.

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

(実施の形態10)
本実施の形態では、本発明の一態様の電子機器及び照明装置について、図面を用いて説明
する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, an electronic device and a lighting device of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

<電子機器>
本発明の一態様の半導体装置を用いて、電子機器や照明装置を作製できる。また、本発明
の一態様の半導体装置を用いて、信頼性の高い電子機器や照明装置を作製できる。また本
発明の一態様の半導体装置を用いて、タッチセンサの検出感度が向上した電子機器や照明
装置を作製できる。
<Electronic equipment>
An electronic device or a lighting device can be manufactured using the semiconductor device of one embodiment of the present invention. Further, with the use of the semiconductor device of one embodiment of the present invention, highly reliable electronic devices and lighting devices can be manufactured. Further, by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention, an electronic device or a lighting device with improved detection sensitivity of a touch sensor can be manufactured.

電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともい
う)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタル
フォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携
帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
Examples of electronic devices include television devices (also referred to as televisions or television receivers), monitors for computers, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones (also referred to as mobile phones and mobile phone devices). ), portable game machines, personal digital assistants, sound reproduction devices, and large game machines such as pachinko machines.

また、本発明の一態様の電子機器又は照明装置は可撓性を有する場合、家屋やビルの内壁
もしくは外壁、又は、自動車の内装もしくは外装の曲面に沿って組み込むことも可能であ
る。
Further, when the electronic device or the lighting device of one embodiment of the present invention is flexible, it can be incorporated along the inner wall or outer wall of a house or building, or along the curved surface of the interior or exterior of an automobile.

また、本発明の一態様の電子機器は、二次電池を有していてもよく、非接触電力伝送を用
いて、二次電池を充電することができると好ましい。
Further, the electronic device of one embodiment of the present invention may include a secondary battery, and it is preferable that the secondary battery can be charged using contactless power transmission.

二次電池としては、例えば、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池(リチウムイオ
ンポリマー電池)等のリチウムイオン二次電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池
、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛
電池などが挙げられる。
As secondary batteries, for example, lithium ion secondary batteries such as lithium polymer batteries (lithium ion polymer batteries) using a gel electrolyte, lithium ion batteries, nickel hydrogen batteries, nickel-cadmium batteries, organic radical batteries, lead storage batteries, air secondary batteries, nickel-zinc batteries, silver-zinc batteries, and the like.

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信する
ことで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器が二次電池を
有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
An electronic device of one embodiment of the present invention may have an antenna. An image, information, or the like can be displayed on the display portion by receiving a signal with the antenna. Also, if the electronic device has a secondary battery, the antenna may be used for contactless power transmission.

図60(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体7101、筐体7102、表示部7103、
表示部7104、マイク7105、スピーカー7106、操作キー7107、スタイラス
7108等を有する。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7101に内蔵されてい
る集積回路、CPUなどに用いることができる。CPUにはノーマリオフ型のCPUを用
いることで、低消費電力化することができ、従来よりも長い時間ゲームを楽しむことがで
きる。表示部7103または表示部7104に本発明の一態様に係る半導体装置を用いる
ことで、ユーザーの使用感に優れ、品質の低下が起こりにくい携帯型ゲーム機を提供する
ことができる。なお、図60(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部7103と
表示部7104とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定さ
れない。
FIG. 60A shows a portable game machine including a housing 7101, a housing 7102, a display portion 7103,
It has a display portion 7104, a microphone 7105, a speaker 7106, operation keys 7107, a stylus 7108, and the like. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the housing 7101 . By using a normally-off CPU as the CPU, power consumption can be reduced, and the game can be enjoyed for a longer time than before. By using the semiconductor device according to one embodiment of the present invention for the display portion 7103 or the display portion 7104, a portable game machine with excellent usability and less deterioration in quality can be provided. Note that the portable game machine shown in FIG. 60A has two display portions 7103 and 7104, but the number of display portions in the portable game machine is not limited to this.

図60(B)は、スマートウオッチであり、筐体7302、表示部7304、操作ボタン
7311、7312、接続端子7313、バンド7321、留め金7322、等を有する
。本発明の一態様に係る半導体装置は筐体7302に内蔵されているメモリ、CPUなど
に用いることができる。なお、図60(B)に用いるディスプレイには反射型の液晶パネ
ル、CPUにはノーマリオフ型のCPUを用いることで、低消費電力化することができて
、日常における充電回数を減らすことができる。
FIG. 60B shows a smartwatch including a housing 7302, a display portion 7304, operation buttons 7311 and 7312, a connection terminal 7313, a band 7321, a clasp 7322, and the like. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for a memory, a CPU, or the like included in the housing 7302 . Note that by using a reflective liquid crystal panel for the display used in FIG. 60B and a normally-off CPU for the CPU, power consumption can be reduced and the number of charging times in daily life can be reduced.

図60(C)は、携帯情報端末であり、筐体7501に組み込まれた表示部7502の他
、操作ボタン7503、外部接続ポート7504、スピーカー7505、マイク7506
、表示部7502などを備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、筐体7501
に内蔵されているモバイル用メモリ、CPUなどに用いることができる。なお、ノーマリ
オフ型のCPUを用いることで、充電回数を減らすことができる。また、表示部7502
は、非常に高精細とすることができるため、中小型でありながらフルハイビジョン、4k
、または8kなど、様々な表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる
FIG. 60C shows a portable information terminal including a display portion 7502 incorporated in a housing 7501, operation buttons 7503, an external connection port 7504, a speaker 7505, and a microphone 7506.
, a display unit 7502, and the like. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a housing 7501
It can be used for mobile memory, CPU, etc. Note that the number of times of charging can be reduced by using a normally-off CPU. Also, the display unit 7502
is capable of producing very high definition, so even though it is small or medium-sized, it can display full high-definition, 4k
, or 8k, and a very clear image can be obtained.

図60(D)はビデオカメラであり、第1筐体7701、第2筐体7702、表示部77
03、操作キー7704、レンズ7705、接続部7706等を有する。操作キー770
4およびレンズ7705は第1筐体7701に設けられており、表示部7703は第2筐
体7702に設けられている。そして、第1筐体7701と第2筐体7702とは、接続
部7706により接続されており、第1筐体7701と第2筐体7702の間の角度は、
接続部7706により変更が可能である。表示部7703における映像を、接続部770
6における第1筐体7701と第2筐体7702との間の角度に従って切り替える構成と
しても良い。レンズ7705の焦点となる位置には本発明の一態様の撮像装置を備えるこ
とができる。本発明の一態様に係る半導体装置は、第1筐体7701に内蔵されている集
積回路、CPUなどに用いることができる。
FIG. 60D shows a video camera including a first housing 7701, a second housing 7702, and a display portion 77.
03, operation keys 7704, a lens 7705, a connection portion 7706, and the like. Operation key 770
4 and the lens 7705 are provided in the first housing 7701 and the display portion 7703 is provided in the second housing 7702 . The first housing 7701 and the second housing 7702 are connected by a connecting portion 7706, and the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 is
Connection 7706 allows modification. The image on the display unit 7703 is transferred to the connection unit 770
6 may be switched according to the angle between the first housing 7701 and the second housing 7702 . An imaging device of one embodiment of the present invention can be provided at the focal point of the lens 7705 . A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for an integrated circuit, a CPU, or the like incorporated in the first housing 7701 .

図60(E)は、デジタルサイネージであり、電柱7901に設置された表示部7902
を備えている。本発明の一態様に係る半導体装置は、表示部7902の表示パネルおよび
内蔵されている制御回路に用いることができる。
FIG. 60E shows a digital signage, a display portion 7902 installed on a utility pole 7901.
It has The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for the display panel of the display portion 7902 and the built-in control circuit.

図61(A)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体8121、表示部8122
、キーボード8123、ポインティングデバイス8124等を有する。本発明の一態様に
係る半導体装置は、筐体8121内に内蔵されているCPUや、メモリに適用することが
できる。なお、表示部8122は、非常に高精細とすることができるため、中小型であり
ながら8kの表示を行うことができ、非常に鮮明な画像を得ることができる。
FIG. 61A shows a notebook personal computer including a housing 8121 and a display portion 8122.
, a keyboard 8123, a pointing device 8124, and the like. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to a CPU or a memory incorporated in the housing 8121 . Note that the display portion 8122 can have very high definition, so that it can display 8k even though it is small or medium-sized, and a very clear image can be obtained.

図61(B)に自動車9700の外観を示す。図61(C)に自動車9700の運転席を
示す。自動車9700は、車体9701、車輪9702、ダッシュボード9703、ライ
ト9704等を有する。本発明の一態様の半導体装置は、自動車9700の表示部、およ
び制御用の集積回路に用いることができる。例えば、図61(C)に示す表示部9710
乃至表示部9715に本発明の一態様の半導体装置を設けることができる。
FIG. 61(B) shows the appearance of the automobile 9700. As shown in FIG. FIG. 61(C) shows the driver's seat of automobile 9700 . An automobile 9700 has a vehicle body 9701, wheels 9702, a dashboard 9703, lights 9704, and the like. A semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for a display portion and a control integrated circuit of automobile 9700 . For example, the display portion 9710 shown in FIG.
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be provided in the display portion 9715 to the display portion 9715 .

表示部9710と表示部9711は、自動車のフロントガラスに設けられた表示装置、ま
たは入出力装置である。本発明の一態様の表示装置、または入出力装置は、表示装置、ま
たは入出力装置が有する電極を、透光性を有する導電性材料で作製することによって、反
対側が透けて見える、いわゆるシースルー状態の表示装置、または入出力装置とすること
ができる。シースルー状態の表示装置、または入出力装置であれば、自動車9700の運
転時にも視界の妨げになることがない。よって、本発明の一態様の表示装置、または入出
力装置を自動車9700のフロントガラスに設置することができる。なお、表示装置、ま
たは入出力装置に、表示装置、または入出力装置を駆動するためのトランジスタなどを設
ける場合には、有機半導体材料を用いた有機トランジスタや、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタなど、透光性を有するトランジスタを用いるとよい。
A display portion 9710 and a display portion 9711 are display devices or input/output devices provided on the windshield of an automobile. A display device or an input/output device of one embodiment of the present invention is in a so-called see-through state, in which an electrode included in the display device or the input/output device is formed using a light-transmitting conductive material so that the opposite side can be seen through. display device or input/output device. A see-through display device or an input/output device does not obstruct the view when the automobile 9700 is driven. Therefore, the display device or the input/output device of one embodiment of the present invention can be installed on the windshield of the automobile 9700 . Note that in the case where a display device or an input/output device is provided with a transistor or the like for driving the display device or the input/output device, an organic transistor using an organic semiconductor material, a transistor using an oxide semiconductor, or the like can be used. A light-transmitting transistor is preferably used.

表示部9712はピラー部分に設けられた表示装置である。例えば、車体に設けられた撮
像手段からの映像を表示部9712に映し出すことによって、ピラーで遮られた視界を補
完することができる。表示部9713はダッシュボード部分に設けられた表示装置である
。例えば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9713に映し出すことによっ
て、ダッシュボードで遮られた視界を補完することができる。すなわち、自動車の外側に
設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、死角を補い、安全性を高めるこ
とができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感
なく安全確認を行うことができる。
A display portion 9712 is a display device provided in a pillar portion. For example, by displaying an image from an imaging means provided on the vehicle body on the display portion 9712, the field of view blocked by the pillar can be complemented. A display unit 9713 is a display device provided in the dashboard portion. For example, by displaying an image from an imaging means provided on the vehicle body on the display portion 9713, the field of view blocked by the dashboard can be complemented. That is, by projecting an image from the imaging means provided outside the automobile, blind spots can be compensated for and safety can be enhanced. In addition, by projecting an image that supplements the invisible part, safety confirmation can be performed more naturally and without discomfort.

また、図61(D)は、運転席と助手席にベンチシートを採用した自動車の室内を示して
いる。表示部9721は、ドア部に設けられた表示装置、または入出力装置である。例え
ば、車体に設けられた撮像手段からの映像を表示部9721に映し出すことによって、ド
アで遮られた視界を補完することができる。また、表示部9722は、ハンドルに設けら
れた表示装置である。表示部9723は、ベンチシートの座面の中央部に設けられた表示
装置である。なお、表示装置を座面や背もたれ部分などに設置して、当該表示装置を、当
該表示装置の発熱を熱源としたシートヒーターとして利用することもできる。
Further, FIG. 61(D) shows the interior of an automobile in which bench seats are used for the driver's seat and the front passenger's seat. The display unit 9721 is a display device or an input/output device provided on the door. For example, by displaying an image from an imaging unit provided in the vehicle body on the display portion 9721, the field of view blocked by the door can be complemented. A display unit 9722 is a display device provided on the steering wheel. The display unit 9723 is a display device provided in the center of the seating surface of the bench seat. Note that the display device can be installed on a seat surface, a backrest portion, or the like, and the display device can be used as a seat heater using the heat generated by the display device as a heat source.

表示部9714、表示部9715、または表示部9722はナビゲーション情報、スピー
ドメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他
様々な情報を提供することができる。また、表示部に表示される表示項目やレイアウトな
どは、使用者の好みに合わせて適宜変更することができる。なお、上記情報は、表示部9
710乃至表示部9713、表示部9721、表示部9723にも表示することができる
。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部9721乃至表示部9723は照明
装置として用いることも可能である。また、表示部9710乃至表示部9715、表示部
9721乃至表示部9723は加熱装置として用いることも可能である。
Display 9714, display 9715, or display 9722 can provide navigation information, speedometer and tachometer, mileage, fuel level, gear status, air conditioning settings, and a variety of other information. In addition, the display items and layout displayed on the display unit can be appropriately changed according to the user's preference. The above information is displayed on the display unit 9
710 to the display portion 9713 , the display portion 9721 , and the display portion 9723 . Further, the display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as lighting devices. Further, the display portions 9710 to 9715 and the display portions 9721 to 9723 can also be used as a heating device.

また、図62(A)に、カメラ8000の外観を示す。カメラ8000は、筐体8001
、表示部8002、操作ボタン8003、シャッターボタン8004、結合部8005等
を有する。またカメラ8000には、レンズ8006を取り付けることができる。
Also, FIG. 62(A) shows the appearance of the camera 8000 . The camera 8000 includes a housing 8001
, a display portion 8002, an operation button 8003, a shutter button 8004, a coupling portion 8005, and the like. A lens 8006 can also be attached to the camera 8000 .

結合部8005は、電極を有し、後述するファインダー8100のほか、ストロボ装置等
を接続することができる。
The connecting portion 8005 has an electrode, and can be connected to a finder 8100, which will be described later, as well as a strobe device or the like.

ここではカメラ8000として、レンズ8006を筐体8001から取り外して交換する
ことが可能な構成としたが、レンズ8006と筐体が一体となっていてもよい。
Here, the camera 8000 has a configuration in which the lens 8006 can be removed from the housing 8001 and replaced, but the lens 8006 and the housing may be integrated.

シャッターボタン8004を押すことにより、撮像することができる。また、表示部80
02はタッチパネルとしての機能を有し、表示部8002をタッチすることにより撮像す
ることも可能である。
An image can be captured by pressing the shutter button 8004 . Also, the display unit 80
02 has a function as a touch panel, and an image can be captured by touching the display portion 8002 .

表示部8002に、本発明の一態様の表示装置、または入出力装置を適用することができ
る。
A display device or an input/output device of one embodiment of the present invention can be applied to the display portion 8002 .

図62(B)には、カメラ8000にファインダー8100を取り付けた場合の例を示し
ている。
FIG. 62B shows an example in which a finder 8100 is attached to the camera 8000. FIG.

ファインダー8100は、筐体8101、表示部8102、ボタン8103等を有する。 A viewfinder 8100 includes a housing 8101, a display portion 8102, buttons 8103, and the like.

筐体8101には、カメラ8000の結合部8005と係合する結合部を有しており、フ
ァインダー8100をカメラ8000に取り付けることができる。また当該結合部には電
極を有し、当該電極を介してカメラ8000から受信した映像等を表示部8102に表示
させることができる。
The housing 8101 has a coupling portion that engages with a coupling portion 8005 of the camera 8000 so that the viewfinder 8100 can be attached to the camera 8000 . Further, the connecting portion has an electrode, and an image or the like received from the camera 8000 through the electrode can be displayed on the display portion 8102 .

ボタン8103は、電源ボタンとしての機能を有する。ボタン8103により、表示部8
102の表示のオン・オフを切り替えることができる。
A button 8103 has a function as a power button. The button 8103 allows the display unit 8
The display of 102 can be switched on/off.

筐体8101の中にある、集積回路、イメージセンサに本発明の一態様の半導体装置を適
用することができる。
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to the integrated circuit and the image sensor in the housing 8101 .

なお、図62(A)(B)では、カメラ8000とファインダー8100とを別の電子機
器とし、これらを脱着可能な構成としたが、カメラ8000の筐体8001に、本発明の
一態様の表示装置、または入出力装置を備えるファインダーが内蔵されていてもよい。
Note that in FIGS. 62A and 62B, the camera 8000 and the viewfinder 8100 are separate electronic devices and are detachable. A device, or a viewfinder with an input/output device, may be incorporated.

また、図62(C)には、ヘッドマウントディスプレイ8200の外観を示している。 Also, FIG. 62(C) shows the appearance of the head mounted display 8200 .

ヘッドマウントディスプレイ8200は、装着部8201、レンズ8202、本体820
3、表示部8204、ケーブル8205等を有している。また装着部8201には、バッ
テリー8206が内蔵されている。
The head mounted display 8200 includes a mounting portion 8201, a lens 8202, a main body 820
3. It has a display portion 8204, a cable 8205, and the like. A battery 8206 is built in the mounting portion 8201 .

ケーブル8205は、バッテリー8206から本体8203に電力を供給する。本体82
03は無線受信機等を備え、受信した画像データ等の映像情報を表示部8204に表示さ
せることができる。また、本体8203に設けられたカメラで使用者の眼球やまぶたの動
きを捉え、その情報をもとに使用者の視点の座標を算出することにより、使用者の視点を
入力手段として用いることができる。
Cable 8205 supplies power from battery 8206 to body 8203 . body 82
03 includes a wireless receiver or the like, and can display video information such as received image data on the display portion 8204 . In addition, by capturing the movement of the user's eyeballs and eyelids with a camera provided in the main body 8203 and calculating the coordinates of the user's viewpoint based on the information, the user's viewpoint can be used as an input means. can.

また、装着部8201には、使用者に触れる位置に複数の電極が設けられていてもよい。
本体8203は使用者の眼球の動きに伴って電極に流れる電流を検知することにより、使
用者の視点を認識する機能を有していてもよい。また、当該電極に流れる電流を検知する
ことにより、使用者の脈拍をモニタする機能を有していてもよい。また、装着部8201
には、温度センサ、圧力センサ、加速度センサ等の各種センサを有していてもよく、使用
者の生体情報を表示部8204に表示する機能を有していてもよい。また、使用者の頭部
の動きなどを検出し、表示部8204に表示する映像をその動きに合わせて変化させても
よい。
Also, the mounting portion 8201 may be provided with a plurality of electrodes at positions where the user touches.
The main body 8203 may have a function of recognizing the user's viewpoint by detecting the current flowing through the electrodes as the user's eyeballs move. It may also have a function of monitoring the user's pulse by detecting the current flowing through the electrode. Also, the mounting portion 8201
may have various sensors such as a temperature sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, etc., and may have a function of displaying the biological information of the user on the display unit 8204 . Alternatively, the movement of the user's head may be detected and the image displayed on the display portion 8204 may be changed according to the movement.

本体8203の内部の集積回路に、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる
The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied to an integrated circuit inside the main body 8203 .

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中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。
This embodiment can be implemented by appropriately combining at least part of it with other embodiments described herein.

(実施の形態11)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いたRFタグの使用例について
図63を用いながら説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, usage examples of an RF tag using a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<RFタグの使用例>
RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証
書類(運転免許証や住民票等、図63(A)参照)、乗り物類(自転車等、図63(B)
参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図63(C)参照)、記録媒体(DVDやビ
デオテープ等、図63(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物
類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置
、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り
付ける荷札(図63(E)、図63(F)参照)等に設けて使用することができる。
<Usage example of RF tag>
RF tags are used in a wide range of applications. (B)
(see FIG. 63(C)), packaging containers (wrapping paper, bottles, etc., see FIG. 63(C)), recording media (DVDs, video tapes, etc., see FIG. 63(D)), personal items (bags, glasses, etc.), foods , plants, animals, the human body, clothes, daily necessities, medicines and medicines containing medicines, or electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones), or other items 63(E) and 63(F)).

本発明の一態様に係るRFタグ4000は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物
品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれ
ば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタグ
4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザ
イン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書
類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000を設けることにより、認証機能を設けるこ
とができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器
類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一
態様に係るRFタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図る
ことができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグを取り付ける
ことにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
An RF tag 4000 according to an aspect of the present invention is fixed to an article by being attached to the surface or embedded. For example, if it is a book, it is embedded in paper, and if it is a package made of organic resin, it is embedded inside the organic resin and fixed to each article. Since the RF tag 4000 according to one embodiment of the present invention is small, thin, and lightweight, it does not impair the design of the article itself even after it is fixed to the article. In addition, by providing the RF tag 4000 according to one aspect of the present invention to bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, or the like, an authentication function can be provided. Counterfeiting can be prevented. In addition, by attaching the RF tag according to one aspect of the present invention to packaging containers, recording media, personal effects, foods, clothes, daily necessities, electronic devices, or the like, the efficiency of systems such as inspection systems can be improved. can be planned. In addition, by attaching the RF tag according to one embodiment of the present invention to vehicles, security against theft or the like can be improved.

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

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせる
ことができる。
Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples described in this specification as appropriate.

本実施例では、イオン添加処理後の酸化物半導体層122の抵抗値の測定を行った結果に
ついて説明する。
Example 1 In this example, results of measurement of the resistance value of the oxide semiconductor layer 122 after ion addition treatment are described.

測定用サンプルとして、図64に示す構造を作製した。測定サンプルは、実施の形態1に
て説明した方法により作製した。なお、サンプルの作製方法は、この方法に限定されない
A structure shown in FIG. 64 was fabricated as a measurement sample. A measurement sample was produced by the method described in the first embodiment. Note that the method for manufacturing the samples is not limited to this method.

基板100として、約700μmのSiウェハを用いた。 A Si wafer of about 700 μm was used as the substrate 100 .

絶縁層110として、酸化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜の積層を形成した。 As the insulating layer 110, a stack of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film was formed.

当該酸化シリコン膜として、Siウェハを950℃の塩酸酸化法により、100nmの熱
酸化膜を形成した。
As the silicon oxide film, a thermal oxide film of 100 nm was formed on a Si wafer by a hydrochloric acid oxidation method at 950.degree.

酸化窒化シリコン膜はプラズマCVD法で300nm成膜した。当該成膜条件は、成膜用
ガス流量をシラン2.3sccm、一酸化二窒素800sccmとし、成膜時のチャンバ
ー内圧力を隔膜式バラトロンセンサーおよびAPCバルブ制御により40Paとし、RF
電源周波数を27MHzとし、成膜時のパワーは50Wとし、電極間の距離を15mmと
し、成膜時の基板加熱温度を400℃とした。
A silicon oxynitride film was formed to a thickness of 300 nm by plasma CVD. The film formation conditions are as follows: the gas flow rate for film formation is set to 2.3 sccm of silane and the dinitrogen monoxide is set to 800 sccm;
The power frequency was 27 MHz, the power during film formation was 50 W, the distance between the electrodes was 15 mm, and the substrate heating temperature was 400° C. during film formation.

次に、酸化物半導体層122としてスパッタリング法により、ターゲットとしてIn:G
a:Zn=1:1:1(原子数比)の酸化物を用いて厚さ50nmに成膜した酸化物半導
体膜を用いた。当該成膜条件は、成膜時のチャンバー内圧力を0.7Paとし、成膜時の
パワーはDC電源を用いて0.5kWとし、スパッタリング用のガス流量をArガス30
sccm、酸素ガス15sccmとし、サンプルーターゲット間の距離を60mmとし、
成膜時の基板加熱温度を300℃とした。
Next, the oxide semiconductor layer 122 is formed by a sputtering method using In:G as a target.
An oxide semiconductor film was used which was formed to a thickness of 50 nm using an oxide of a:Zn=1:1:1 (atomic ratio). The film formation conditions are as follows: the pressure in the chamber during film formation is 0.7 Pa, the power during film formation is 0.5 kW using a DC power supply, and the gas flow rate for sputtering is 30% Ar gas.
sccm, oxygen gas 15 sccm, sample-target distance 60 mm,
The substrate heating temperature during film formation was set to 300.degree.

酸化物半導体層122形成後、窒素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行っ
た後、酸素雰囲気において、450℃で1時間の加熱処理を行った。
After the oxide semiconductor layer 122 was formed, heat treatment was performed at 450° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then heat treatment was performed at 450° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.

イオン添加処理は、イオン注入法により行った。サンプルごとに異なるイオン注入条件の
まとめを表1に示す。
The ion addition treatment was performed by an ion implantation method. Table 1 shows a summary of the ion implantation conditions that differ for each sample.

Figure 2023057172000002
Figure 2023057172000002

サンプルの抵抗値測定は、シート抵抗測定機を用いて行い、装置は日立国際電気製のVR
-200を用いた。図65、図66、図67にシート抵抗測定結果を示す。
The resistance value of the sample was measured using a sheet resistance measuring machine, and the device was a VR manufactured by Hitachi Kokusai Denki.
-200 was used. 65, 66 and 67 show the sheet resistance measurement results.

図65、図66、図67より、リン、アルゴン、キセノンいずれのイオン種においても、
ドーズ量を3.0×1014ions/cm以上注入したサンプルにおいて、抵抗率を
安定して低減することができることが確認された。
From FIGS. 65, 66, and 67, for any ion species of phosphorus, argon, and xenon,
It was confirmed that the resistivity could be stably reduced in samples implanted with a dose amount of 3.0×10 14 ions/cm 2 or more.

10 トランジスタ
11 トランジスタ
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 トランジスタ
20 表示装置
21 表示領域
22 周辺回路
24 表示装置
50 トランジスタ
52 トランジスタ
60 容量素子
62 容量素子
70 発光素子
80 液晶素子
100 基板
103 偏光板
105 保護基板
110 絶縁層
121 金属酸化物層
122 酸化物半導体層
123 金属酸化物層
123a 金属酸化物膜
123b 金属酸化物層
125 低抵抗領域
130 ソース電極層
130b 導電層
140 ドレイン電極層
150 ゲート絶縁層
150a 絶縁膜
150b ゲート絶縁層
151 ゲート絶縁層
152 ゲート絶縁層
152a 絶縁膜
152b 絶縁層
160 ゲート電極層
160a 導電膜
165 導電層
167 イオン
170 絶縁層
172 絶縁層
173 酸素
174 溝部
175 絶縁層
175b 絶縁層
176 絶縁層
180 絶縁層
190 導電層
195 導電層
197 導電層
200 撮像装置
201 スイッチ
202 スイッチ
203 スイッチ
210 画素部
211 画素
212 副画素
212B 副画素
212G 副画素
212R 副画素
220 光電変換素子
230 画素回路
231 配線
247 配線
248 配線
249 配線
250 配線
253 配線
254 フィルタ
254B フィルタ
254G フィルタ
254R フィルタ
255 レンズ
256 光
257 配線
260 周辺回路
270 周辺回路
280 周辺回路
290 周辺回路
300 シリコン基板
310 層
320 層
330 層
340 層
351 トランジスタ
353 トランジスタ
360 フォトダイオード
361 アノード
362 カソード
363 低抵抗領域
365 フォトダイオード
366 半導体
367 半導体
368 半導体
370 プラグ
371 配線
372 配線
373 配線
374 配線
380 絶縁層
400 基板
402 保護基板
403 偏光板
410 導電層
415 導電層
418 遮光層
420 絶縁層
430 絶縁層
440 スペーサ
445 隔壁
450 EL層
460 着色層
470 接着層
473 接着層
474 接着層
475 接着層
476 接着層
480 導電層
490 液晶層
510 異方性導電層
530 光学調整層
601 プリカーサ
602 プリカーサ
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 走査線
713 走査線
714 信号線
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
1700 基板
1701 チャンバー
1702 ロード室
1703 前処理室
1704 チャンバー
1705 チャンバー
1706 アンロード室
1711a 原料供給部
1711b 原料供給部
1712a 高速バルブ
1712b 高速バルブ
1713a 原料導入口
1713b 原料導入口
1714 原料排出口
1715 排気装置
1716 基板ホルダ
1720 搬送室
1750 インターポーザ
1751 チップ
1752 端子
1753 モールド樹脂
1800 パネル
1801 プリント配線基板
1802 パッケージ
1803 FPC
1804 バッテリー
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 絶縁体
2202 配線
2203 プラグ
2204 絶縁体
2205 配線
2207 絶縁体
2211 半導体基板
2212 絶縁体
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁体
2215 ソース領域およびドレイン領域
2800 インバータ
2810 OSトランジスタ
2820 OSトランジスタ
2831 信号波形
2832 信号波形
2840 破線
2841 実線
2850 OSトランジスタ
2860 CMOSインバータ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
6000 表示モジュール
6001 上部カバー
6002 下部カバー
6003 FPC
6004 タッチパネル
6005 FPC
6006 表示パネル
6007 バックライトユニット
6008 光源
6009 フレーム
6010 プリント基板
6011 バッテリー
7101 筐体
7102 筐体
7103 表示部
7104 表示部
7105 マイク
7106 スピーカー
7107 操作キー
7108 スタイラス
7302 筐体
7304 表示部
7311 操作ボタン
7312 操作ボタン
7313 接続端子
7321 バンド
7322 留め金
7501 筐体
7502 表示部
7503 操作ボタン
7504 外部接続ポート
7505 スピーカー
7506 マイク
7701 筐体
7702 筐体
7703 表示部
7704 操作キー
7705 レンズ
7706 接続部
7901 電柱
7902 表示部
8000 カメラ
8001 筐体
8002 表示部
8003 操作ボタン
8004 シャッターボタン
8005 結合部
8006 レンズ
8100 ファインダー
8101 筐体
8102 表示部
8103 ボタン
8121 筐体
8122 表示部
8123 キーボード
8124 ポインティングデバイス
8200 ヘッドマウントディスプレイ
8201 装着部
8202 レンズ
8203 本体
8204 表示部
8205 ケーブル
8206 バッテリー
9700 自動車
9701 車体
9702 車輪
9703 ダッシュボード
9704 ライト
9710 表示部
9711 表示部
9712 表示部
9713 表示部
9714 表示部
9715 表示部
9721 表示部
9722 表示部
9723 表示部
10 Transistor 11 Transistor 12 Transistor 13 Transistor 14 Transistor 20 Display device 21 Display area 22 Peripheral circuit 24 Display device 50 Transistor 52 Transistor 60 Capacitive element 62 Capacitive element 70 Light emitting element 80 Liquid crystal element 100 Substrate 103 Polarizing plate 105 Protective substrate 110 Insulating layer 121 Metal oxide layer 122 Oxide semiconductor layer 123 Metal oxide layer 123a Metal oxide film 123b Metal oxide layer 125 Low resistance region 130 Source electrode layer 130b Conductive layer 140 Drain electrode layer 150 Gate insulating layer 150a Insulating film 150b Gate insulating layer 151 gate insulating layer 152 gate insulating layer 152a insulating film 152b insulating layer 160 gate electrode layer 160a conductive film 165 conductive layer 167 ion 170 insulating layer 172 insulating layer 173 oxygen 174 groove 175 insulating layer 175b insulating layer 176 insulating layer 180 insulating layer 190 conductive Layer 195 Conductive layer 197 Conductive layer 200 Imaging device 201 Switch 202 Switch 203 Switch 210 Pixel portion 211 Pixel 212 Subpixel 212B Subpixel 212G Subpixel 212R Subpixel 220 Photoelectric conversion element 230 Pixel circuit 231 Wiring 247 Wiring 248 Wiring 249 Wiring 250 Wiring 253 Wiring 254 Filter 254B Filter 254G Filter 254R Filter 255 Lens 256 Light 257 Wiring 260 Peripheral circuit 270 Peripheral circuit 280 Peripheral circuit 290 Peripheral circuit 300 Silicon substrate 310 Layer 320 Layer 330 Layer 340 Layer 351 Transistor 353 Transistor 360 Photodiode 361 Anode 362 Cathode 363 low-resistance region 365 photodiode 366 semiconductor 367 semiconductor 368 semiconductor 370 plug 371 wiring 372 wiring 373 wiring 374 wiring 380 insulating layer 400 substrate 402 protective substrate 403 polarizing plate 410 conductive layer 415 conductive layer 418 light shielding layer 420 insulating layer 430 insulating layer 440 Spacer 445 Partition 450 EL layer 460 Colored layer 470 Adhesive layer 473 Adhesive layer 474 Adhesive layer 475 Adhesive layer 476 Adhesive layer 480 Conductive layer 490 Liquid crystal layer 510 Anisotropic conductive layer 530 Optical adjustment layer 601 Precursor 602 Precursor 700 Substrate 701 Pixel section 702 Scanning line driver circuit 703 Scanning line driver circuit 704 Signal line driver circuit 710 Capacitor wiring 712 Scanning line 713 Scanning line 714 Signal line 716 Transistor 717 Transistor 718 Liquid crystal element 719 Liquid crystal element 720 Pixel 721 Switching transistor 722 Driving transistor 723 Capacitive element 724 Light emitting element 725 Signal line 726 Scanning line 727 Power supply line 728 Common electrode 800 RF tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulator circuit 808 Modulator circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
1189 ROM interface 1190 Substrate 1191 ALU
1192 ALU controller 1193 Instruction decoder 1194 Interrupt controller 1195 Timing controller 1196 Register 1197 Register controller 1198 Bus interface 1199 ROM
1200 memory element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitive element 1208 capacitive element 1209 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1220 circuit 1700 substrate 1701 chamber 1702 load chamber 1703 pretreatment chamber 1704 chamber 1705 chamber 1701a unload chamber Material supply part 1711b Material supply part 1712a High-speed valve 1712b High-speed valve 1713a Material introduction port 1713b Material introduction port 1714 Material discharge port 1715 Exhaust device 1716 Substrate holder 1720 Transfer chamber 1750 Interposer 1751 Chip 1752 Terminal 1753 Mold resin 1800 Panel 1801 Printed wiring board 1802 Package 1803 FPC
1804 Battery 2100 Transistor 2200 Transistor 2201 Insulator 2202 Wiring 2203 Plug 2204 Insulator 2205 Wiring 2207 Insulator 2211 Semiconductor substrate 2212 Insulator 2213 Gate electrode 2214 Gate insulator 2215 Source region and drain region 2800 Inverter 2810 OS transistor 2820 OS transistor 2831 Signal Waveform 2832 Signal waveform 2840 Broken line 2841 Solid line 2850 OS transistor 2860 CMOS inverter 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3200 Transistor 3300 Transistor 3400 Capacitive element 4000 RF tag 6000 Display module 6001 Upper cover 6002 Lower cover 6003 FPC
6004 Touch panel 6005 FPC
6006 display panel 6007 backlight unit 6008 light source 6009 frame 6010 printed circuit board 6011 battery 7101 housing 7102 housing 7103 display unit 7104 display unit 7105 microphone 7106 speaker 7107 operation keys 7108 stylus 7302 housing 7304 display unit 7311 operation buttons 7312 operation buttons 7313 Connection terminal 7321 Band 7322 Clasp 7501 Housing 7502 Display unit 7503 Operation button 7504 External connection port 7505 Speaker 7506 Microphone 7701 Housing 7702 Housing 7703 Display unit 7704 Operation keys 7705 Lens 7706 Connection unit 7901 Telephone pole 7902 Display unit 8000 Camera 8001 Housing Body 8002 Display unit 8003 Operation button 8004 Shutter button 8005 Joint unit 8006 Lens 8100 Viewfinder 8101 Housing 8102 Display unit 8103 Button 8121 Housing 8122 Display unit 8123 Keyboard 8124 Pointing device 8200 Head-mounted display 8201 Mounting unit 8202 Lens 8203 Main body 8204 Display unit 8205 Cable 8206 Battery 9700 Automobile 9701 Body 9702 Wheel 9703 Dashboard 9704 Light 9710 Display 9711 Display 9712 Display 9713 Display 9714 Display 9715 Display 9721 Display 9722 Display 9723 Display

Claims (2)

シリコンを有する第1のチャネル形成領域を備えた第1のトランジスタと、
酸化物半導体を有する第2のチャネル形成領域を備えた第2のトランジスタと、
容量素子と、を有する半導体装置であって、
前記第1のチャネル形成領域上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第1のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタの第1のゲート電極として機能する領域を有する第2の導電層と、
前記第2の導電層上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上に位置し、且つ前記第2のチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に位置する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタの第2のゲート電極として機能する領域を有する第3の導電層と、
前記第3の導電層の上に位置する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタのソース領域及びドレイン領域の一方と常に導通する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層上に位置し、且つ前記容量素子の一方の電極として機能する領域を有する第5の導電層と、
前記第5の導電層上の第6の絶縁層と、
前記第6の絶縁層上に位置し、且つ前記容量素子の他方の電極として機能する領域を有する第6の導電層と、を有し、
前記第5の導電層は、前記第2のトランジスタのソース領域及びドレイン領域の他方と常に導通し、
前記第5の導電層は、前記第1のトランジスタのゲート電極と常に導通し、
前記第6の導電層は、前記第1のチャネル形成領域と重なる領域と、前記第2のチャネル形成領域と重なる領域と、前記第4の導電層と重なる領域と、を有する、半導体装置。
a first transistor having a first channel-forming region comprising silicon;
a second transistor including a second channel formation region having an oxide semiconductor;
A semiconductor device having a capacitive element,
a first insulating layer on the first channel forming region;
a first conductive layer having a region in contact with the top surface of the first insulating layer and having a region functioning as a gate electrode of the first transistor;
a second insulating layer on the first conductive layer;
a second conductive layer having a region in contact with the upper surface of the second insulating layer and having a region functioning as a first gate electrode of the second transistor;
a third insulating layer on the second conductive layer;
an oxide semiconductor layer located on the third insulating layer and having the second channel formation region;
a fourth insulating layer located on the oxide semiconductor layer;
a third conductive layer having a region in contact with the upper surface of the fourth insulating layer and having a region functioning as a second gate electrode of the second transistor;
a fifth insulating layer overlying the third conductive layer;
a fourth conductive layer having a region in contact with the top surface of the fifth insulating layer and constantly conducting to one of the source region and the drain region of the second transistor;
a fifth conductive layer located on the fifth insulating layer and having a region functioning as one electrode of the capacitive element;
a sixth insulating layer on the fifth conductive layer;
a sixth conductive layer located on the sixth insulating layer and having a region functioning as the other electrode of the capacitive element;
the fifth conductive layer is always conductive with the other of the source region and the drain region of the second transistor;
the fifth conductive layer is always conductive with the gate electrode of the first transistor;
The semiconductor device, wherein the sixth conductive layer has a region overlapping with the first channel forming region, a region overlapping with the second channel forming region, and a region overlapping with the fourth conductive layer.
シリコンを有する第1のチャネル形成領域を備えた第1のトランジスタと、
酸化物半導体を有する第2のチャネル形成領域を備えた第2のトランジスタと、
容量素子と、を有する半導体装置であって、
前記第1のチャネル形成領域上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第1のトランジスタのゲート電極として機能する領域を有する第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタの第1のゲート電極として機能する領域を有する第2の導電層と、
前記第2の導電層上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上に位置し、且つ前記第2のチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上に位置する第4の絶縁層と、
前記第4の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタの第2のゲート電極として機能する領域を有する第3の導電層と、
前記第3の導電層の上に位置する第5の絶縁層と、
前記第5の絶縁層の上面と接する領域を有し、且つ前記第2のトランジスタのソース領域及びドレイン領域の一方と常に導通する第4の導電層と、
前記第5の絶縁層上に位置し、且つ前記容量素子の一方の電極として機能する領域を有する第5の導電層と、
前記第5の導電層上の第6の絶縁層と、
前記第6の絶縁層上に位置し、且つ前記容量素子の他方の電極として機能する領域を有する第6の導電層と、を有し、
前記第5の導電層は、前記第2のトランジスタのソース領域及びドレイン領域の他方と常に導通し、
前記第5の導電層は、前記第1のトランジスタのゲート電極と常に導通し、
前記第6の導電層は、前記第1のチャネル形成領域と重なる領域と、前記第2のチャネル形成領域と重なる領域と、前記第4の導電層と重なる領域と、を有し、
前記第2のトランジスタのチャネル幅方向の断面視において、前記第3の導電層の下面の一部は、前記酸化物半導体層の下面よりも下方に位置する、半導体装置。
a first transistor having a first channel-forming region comprising silicon;
a second transistor including a second channel formation region having an oxide semiconductor;
A semiconductor device having a capacitive element,
a first insulating layer on the first channel forming region;
a first conductive layer having a region in contact with the top surface of the first insulating layer and having a region functioning as a gate electrode of the first transistor;
a second insulating layer on the first conductive layer;
a second conductive layer having a region in contact with the upper surface of the second insulating layer and having a region functioning as a first gate electrode of the second transistor;
a third insulating layer on the second conductive layer;
an oxide semiconductor layer located on the third insulating layer and having the second channel formation region;
a fourth insulating layer located on the oxide semiconductor layer;
a third conductive layer having a region in contact with the upper surface of the fourth insulating layer and having a region functioning as a second gate electrode of the second transistor;
a fifth insulating layer overlying the third conductive layer;
a fourth conductive layer having a region in contact with the top surface of the fifth insulating layer and constantly conducting to one of the source region and the drain region of the second transistor;
a fifth conductive layer located on the fifth insulating layer and having a region functioning as one electrode of the capacitive element;
a sixth insulating layer on the fifth conductive layer;
a sixth conductive layer located on the sixth insulating layer and having a region functioning as the other electrode of the capacitive element;
the fifth conductive layer is always conductive with the other of the source region and the drain region of the second transistor;
the fifth conductive layer is always conductive with the gate electrode of the first transistor;
the sixth conductive layer has a region overlapping with the first channel forming region, a region overlapping with the second channel forming region, and a region overlapping with the fourth conductive layer;
A semiconductor device, wherein a part of the lower surface of the third conductive layer is located below the lower surface of the oxide semiconductor layer in a cross-sectional view of the second transistor in the channel width direction.
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