JP2023078135A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To apply an excellent electric characteristic to a semiconductor device.SOLUTION: In an oxide semiconductor film, a plurality of electronic diffraction patterns is observed by irradiating an electronic beam while relatively moving a position of a film and a position of the electronic beam to a formed surface of the oxide semiconductor film by using the electronic beam of which a half value width of a probe diameter is 1nm, and the plurality of electronic diffraction patterns includes fifty or more electronic diffraction patterns observed at a different place each other. A sum of a rate having a first electronic diffraction pattern and a rate having a second electronic diffraction pattern of fifty or more electronic diffraction patterns is 100%, and the rate having the first electronic diffraction pattern is 50% or more. The first electronic diffraction pattern includes an observation point without a symmetric property and a plurality of observation points arranged so as to draw a circle. The second electronic diffraction pattern includes an observation point positioned at a top of a hexagon.SELECTED DRAWING: None

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 平成26年3月18日、平成26年3月19日、青山学院大学相模原キャンパスにおいて開催された、第61回応用物理学会春季学術講演会で発表Applied for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Presented at the 61st JSAP Spring Meeting held at Aoyama Gakuin University Sagamihara Campus on March 18, 2014 and March 19, 2014

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、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
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, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, driving methods thereof, or manufacturing methods 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、演算
装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池
等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。
Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are modes of a semiconductor device. Arithmetic devices, storage devices, imaging devices, electro-optical devices, power generation devices (including thin-film solar cells, organic thin-film solar cells, etc.), and electronic devices may include semiconductor devices.

インジウムや、亜鉛を有する酸化物についての物性は興味深く、多く研究されている(
非特許文献1、非特許文献2)。非特許文献1では、In1-xGa1+x(ZnO
(xは-1≦x≦1を満たす数、mは自然数)で表されるホモロガス相が存在するこ
とが述べられている。また、ホモロガス相の固溶域(solid solution r
ange)について述べられている。例えば、In、Ga、及びZnOの粉
末を混合し、1350℃で焼成した場合に、m=1の場合のホモロガス相の固溶域は、x
が-0.33から0.08の記載があり、m=2の場合のホモロガス相の固溶域は、xが
-0.68から0.32の記載がある。
Physical properties of oxides containing indium and zinc are interesting and have been extensively studied (
Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2). In Non-Patent Document 1, In 1−x Ga 1+x O 3 (ZnO
) m (where x is a number that satisfies −1≦x≦1, and m is a natural number). In addition, the solid solution region of the homologous phase (solid solution r
ange) are mentioned. For example, when powders of In 2 O 3 , Ga 2 O 3 and ZnO are mixed and fired at 1350° C., the solid solution region of the homologous phase when m=1 is x
is described as −0.33 to 0.08, and the solid solution region of the homologous phase when m=2 is described as x being −0.68 to 0.32.

また、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、AB(A及びBは金属)で
表される化合物が知られている。また非特許文献1ではInZnGaの例が示
されており、x,y及びzがZnGa近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y
,z)=(0,1,2)に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、ある
いは混在しやすいことが記載されている。
A compound represented by AB 2 O 4 (A and B are metals) is also known as a compound having a spinel crystal structure. In addition, Non-Patent Document 1 shows an example of InxZnyGazOw , where x, y and z are compositions near ZnGa2O4 , that is, x, y and z are (x, y
, z)=(0, 1, 2), it is described that a spinel type crystal structure is easily formed or mixed.

また、半導体材料を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジ
スタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバ
イスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体材料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。
Also, a technique for forming a transistor using a semiconductor material has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor materials applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.

例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはIn-Ga-Zn系酸化物半導体を用い
てトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1及び特許文献2参照)。
For example, a technique for manufacturing a transistor using zinc oxide or an In--Ga--Zn-based oxide semiconductor as an oxide semiconductor has been disclosed (see Patent Documents 1 and 2).

また、近年では電子機器の高性能化、小型化、または軽量化に伴い、微細化されたトラ
ンジスタなどの半導体素子を高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。
In recent years, as electronic devices have become more sophisticated, smaller, and lighter, there has been a growing demand for integrated circuits in which semiconductor elements such as miniaturized transistors are densely integrated.

特開2007-123861号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-123861 特開2007-96055号公報JP 2007-96055 A

M. Nakamura, N. Kimizuka, and T. Mohri,「The Phase Relations in the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350℃」,J. Solid State Chem.、1991、Vol.93, pp.298-315M. Nakamura, N.; Kimizuka, and T. Mohri, "The Phase Relations in the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350°C", J. Am. Solid State Chem. , 1991, Vol. 93, pp. 298-315 M. Nespolo, A. Sato, T. Osawa, and H. Ohashi,「Synthesis, Crystal Structure and Charge Distribution of InGaZnO4. X-ray Diffraction Study of 20kb Single Crystal and 50kb Twin by Reticular Merohedry」Cryst. Res. Technol.,2000 Vol.35, pp151-165M. Nespolo, A.; Sato, T. Osawa, and H. Ohashi, "Synthesis, Crystal Structure and Charge Distribution of InGaZnO4. X-ray Diffraction Study of 20kb Single Crystal and 50kb Twin by Reticular Mer ohdry" Cryst. Res. Technol. , 2000 Vol. 35, pp 151-165

本発明の一態様は、半導体装置に良好な電気特性を付与することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to impart favorable electrical characteristics to a semiconductor device.

または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。 Another object is to provide a highly reliable semiconductor device.

または、特性のばらつきの少ない良好なトランジスタを提供することを課題の一とする
。または、保持特性の良好な記憶素子を有する半導体装置を提供することを課題の一とす
る。または、微細化に適した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、回路
面積を縮小した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な構成の半導
体装置を提供することを課題の一とする。
Another object is to provide a favorable transistor with little variation in characteristics. Another object is to provide a semiconductor device including a memory element with excellent retention characteristics. Another object is to provide a semiconductor device suitable for miniaturization. Another object is to provide a semiconductor device with a reduced circuit area. Another object is to provide a semiconductor device with a novel structure.

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 statements in the specification, drawings, claims, etc.
Problems other than these can be extracted from the drawings, claims, and the like.

本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であっ
て、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの少なくとも一つ
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番
に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標ないし第6の座標を含み
、第7の座標および第8の座標を含まず、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用
いて、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相
対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した
場合において、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の
電子回折パターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パター
ンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1
の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数
の観測点を有し、第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸
化物半導体膜である。
One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, where the element M is at least one element selected from aluminum, gallium, yttrium, and tin. , indium, the element M, and the ratio of the number of atoms of zinc is: indium: element M
: Zinc = x: y: z, where x, y and z are the first coordinates (x: y: z = 8: 14 :7), a second coordinate (x:y:z=2:4:3), a third coordinate (x:y:z=2:5:7), and a fourth coordinate (x: y:z=51:149:300) and the fifth coordinate (x:y:z=46:288
: 833), the sixth coordinates (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinates (x:y:z=
0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate, and the ratio of the number of atoms in the range connecting the line segments in order is and the range includes the first to sixth coordinates, does not include the seventh and eighth coordinates, and uses an electron beam having a probe diameter half width of 1 nm to form an oxide semiconductor film. When a plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating an electron beam while relatively moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam with respect to the formation surface of The pattern has 50 or more electron diffraction patterns observed at different locations, and the proportion of the 50 or more electron diffraction patterns having the first electron diffraction pattern and the second electron diffraction pattern. The sum of the percentages is 100% and the first
The electron diffraction pattern of has observation points that do not have symmetry or a plurality of observation points arranged to draw a circle, and the second electron diffraction pattern has observation points located at the vertices of the hexagon. It is an oxide semiconductor film having an oxide semiconductor film.

または、本発明の一態様は、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、酸化
物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相対的に移動
させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合におい
て、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パ
ターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する
割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1の電子回折
パターンを有する割合は50%以上であり、第1の電子回折パターンは、対称性を有さな
い観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、第2の電子回折パター
ンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸化物半導体膜である。
Alternatively, in one embodiment of the present invention, the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam are positioned relative to the formation surface of the oxide semiconductor film using an electron beam whose probe diameter has a half width of 1 nm. When a plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating the electron beam while moving the electron beam, the plurality of electron diffraction patterns has 50 or more electron diffraction patterns observed at different locations, and 50 The sum of the ratio of having the first electron diffraction pattern and the ratio of having the second electron diffraction pattern among the 1 or more electron diffraction patterns is 100%, and the ratio of having the first electron diffraction pattern is 50%. As described above, the first electron diffraction pattern has observation points that do not have symmetry or a plurality of observation points arranged to draw a circle, and the second electron diffraction pattern has hexagonal vertices. This is an oxide semiconductor film having an observation point located at .

または、本発明の一態様は、In:M(Al、Ga、Y、またはSn):Zn=x:y
:zの原子数比で表される酸化物半導体膜であって、座標x:y:z=1:0:0と、座
標x:y:z=0:1:0と、座標x:y:z=0:0:1と、を頂点とした平衡状態図
において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:
4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51
:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座
標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の
座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内に
あり、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置とプローブ径の半値幅
が1nmである電子線の位置とを相対的に移動させることにより、異なる箇所で50個以
上の電子回折パターンを観測し、50個以上の電子回折パターンは、少なくとも非対称に
配置された複数のスポットを有する電子回折パターンと、円を描くように配置された複数
のスポットを有する電子回折パターンと、六角形の頂点に配置されたスポットを有する電
子回折パターンと、のいずれかであり、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第7
の座標および第8の座標を含まないことを特徴とする酸化物半導体膜である。
Alternatively, in one embodiment of the present invention, In:M(Al, Ga, Y, or Sn):Zn=x:y
:z atomic ratio, where coordinates x:y:z = 1:0:0, coordinates x:y:z = 0:1:0, and coordinates x:y : z = 0: 0: 1, in the equilibrium diagram with vertices, the first coordinate (x: y: z = 8: 14: 7) and the second coordinate (x: y: z = 2 :
4:3), the third coordinates (x:y:z=2:5:7) and the fourth coordinates (x:y:z=51
: 149:300), fifth coordinates (x:y:z=46:288:833), sixth coordinates (x:y:z=0:2:11), and seventh coordinates ( x: y: z = 0: 0: 1), the eighth coordinate (x: y: z = 1: 0: 0), and the first coordinate are connected in order with a line segment. , and by relatively moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam having a half width of the probe diameter of 1 nm with respect to the surface on which the oxide semiconductor film is formed, 50 at different locations The above electron diffraction patterns were observed, and the 50 or more electron diffraction patterns were at least an electron diffraction pattern having a plurality of spots arranged asymmetrically and an electron diffraction pattern having a plurality of spots arranged to draw a circle. and an electron diffraction pattern having spots located at the vertices of the hexagon, wherein the range includes the first coordinate through the sixth coordinate, and the seventh
and the eighth coordinate are not included.

また上記構成において、酸化物半導体膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し
、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標を、順番に
線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第
7の座標および第8の座標を含まないことが好ましい。
In the above structure, the oxide semiconductor film includes indium, element M, and zinc, element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin, and indium , the ratio of the number of atoms of element M and zinc is indium: element M
: Zinc = x: y: z, where x, y and z are the first coordinates (x: y: z = 8: 14 :7), a second coordinate (x:y:z=2:4:3), a third coordinate (x:y:z=2:5:7), and a fourth coordinate (x: y:z=51:149:300) and the fifth coordinate (x:y:z=46:288
: 833), the sixth coordinates (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinates (x:y:z=
0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are connected in order by a line segment. However, the range preferably includes the first to sixth coordinates and excludes the seventh and eighth coordinates.

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体
膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶部
の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下である酸化物半導体膜である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, wherein the oxide semiconductor film includes a plurality of randomly arranged crystal parts and a plurality of crystals. The oxide semiconductor film has an average diameter of 1 nm to 3 nm in the longitudinal direction of the portion.

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体
膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくと
も一つから選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウ
ム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の
3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)
と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)
と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=4
6:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x
:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標
を、順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標
を含み、第7の座標および第8の座標を含まず、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比
を有する単結晶の密度の90%以上である酸化物半導体膜である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, wherein the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. and the atomic number ratio of indium, element M and zinc satisfies indium: element M: zinc = x: y: z, and x, y and z are the three elements of indium, element M and zinc as vertices In the equilibrium diagram, the first coordinate (x: y: z = 8: 14: 7)
, second coordinates (x:y:z=2:4:3), and third coordinates (x:y:z=2:5:7)
, fourth coordinates (x:y:z=51:149:300), and fifth coordinates (x:y:z=4
6:288:833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x
: y:z=0:0:1), the eighth coordinates (x:y:z=1:0:0), and the atoms in the range connecting the first coordinates in order with a line segment the range includes the first coordinate to the sixth coordinate but does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate; the density of the oxide semiconductor film is a single unit having the same atomic ratio; The oxide semiconductor film has a crystal density of 90% or more.

または、本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体
膜であって、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくと
も一つから選ばれた元素であり、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を
有し、複数の結晶部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の1nm以上3n
m以下の結晶を有し、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度の9
0%以上である酸化物半導体膜である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including indium, an element M, and zinc, wherein the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin. where the oxide semiconductor film has a plurality of randomly arranged crystal parts, the plurality of crystal parts has no orientation, and the diameter of the plurality of crystal parts in the longitudinal direction is 1 nm or more and 3 n
m or less, and the density of the oxide semiconductor film is 9 times the density of single crystals having the same atomic ratio.
The oxide semiconductor film is 0% or more.

または、本発明の一態様は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導
体膜であって、酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さ
ず、複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であり、酸化物半導体
膜の密度は、5.7g/cm以上6.49g/cm以下である酸化物半導体膜である
。また上記構成において、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度
の90%以上であることが好ましい。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film containing indium, gallium, and zinc, wherein the oxide semiconductor film includes a plurality of crystal parts, and the crystal parts have an orientation. , the average diameter of the plurality of crystal parts in the longitudinal direction is 1 nm or more and 3 nm or less, and the density of the oxide semiconductor film is 5.7 g/cm 3 or more and 6.49 g/cm 3 or less. It is a material semiconductor film. Further, in the above structure, the density of the oxide semiconductor film is preferably 90% or more of the density of the single crystal having the same atomic ratio.

または、本発明の一態様は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導
体膜であって、酸化物半導体膜は、ランダムに配置する複数の結晶部を有し、複数の結晶
部は、配向性を有さず、複数の結晶部の長手方向の径の平均A[nm]は、1nm以上3
nm以下であり、電子ビームエネルギーが1×10[e/nm]以上4×10
/nm]未満に照射された後の、結晶部の長手方向の径の平均B[nm]は、A×
0.7より大きく、A×1.3より小さい酸化物半導体膜である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film containing indium, gallium, and zinc, wherein the oxide semiconductor film includes a plurality of randomly arranged crystal parts. has no orientation, and the average A [nm] of the diameters in the longitudinal direction of the plurality of crystal parts is 1 nm or more.
nm or less, and the electron beam energy is 1×10 7 [e /nm 2 ] or more and 4×10 8 [
The average diameter B [nm] of the crystal part in the longitudinal direction after being irradiated to less than e /nm 2 ] is A×
The oxide semiconductor film is larger than 0.7 and smaller than A×1.3.

また上記構成において、酸化物半導体膜は、スパッタリング法により形成され、スパッ
タリング法に用いられるターゲットはインジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、ターゲ
ットが有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比は、インジウム:元素M:亜鉛=
a:b:cを満たし、a、b、及びcは、インジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂
点とした平衡状態図において、第1の座標(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標
(a:b:c=2:4:3)と、第3の座標(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の
座標(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標(a:b:c=8:0:1)と、第
6の座標(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範
囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含むことが好ましい。
Further, in the above structure, the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the target used in the sputtering method contains indium, the element M, and zinc, and the target contains atoms of indium, the element M, and zinc. The numerical ratio is indium: element M: zinc =
satisfies a:b:c, and a, b, and c are the first coordinates (a:b:c=8:14: 7), a second coordinate (a:b:c=2:4:3), a third coordinate (a:b:c=1:2:5.1), and a fourth coordinate (a :b:c=1:0:1.7), the fifth coordinate (a:b:c=8:0:1) and the sixth coordinate (a:b:c=6:2:1 ) and the first coordinate, and the ratio of the number of atoms in the range connecting the first coordinate with a line segment in order, and the range preferably includes the first coordinate to the sixth coordinate.

または、本発明の一態様は、上記に記載の酸化物半導体膜を有する半導体装置である。
また上記構成において、第1の導電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶
縁膜と、酸化物半導体膜の上面に接する一対の電極と、を有し、酸化物半導体膜は、第1
の絶縁膜の上面に接する領域を有することが好ましい。また上記構成において、第1の導
電層と、第1の導電層の上面及び側面に接する第1の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面に
接する第2の絶縁膜と、酸化物半導体膜の上面及び第2の絶縁膜の上面及び側面に接する
一対の電極とを有し、酸化物半導体膜は、第1の絶縁膜の上面に接する領域を有すること
が好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜の上面と接する第2の酸化物膜を有
することが好ましい。また上記構成において、酸化物半導体膜が有する酸化物の電子親和
力は、第2の酸化物膜が有する酸化物の電子親和力よりも大きいことが好ましい。また上
記構成において、第2の酸化物膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し、元素M
は、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから選ばれた
元素であり、第2の酸化物膜が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、イン
ジウム:元素M:亜鉛=x:y:zで表され、(x:y:z)は、インジウ
ム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(8:1
4:7)と、第2の座標(2:4:3)と、第3の座標(2:5:7)と、第4の座標(
51:149:300)と、第5の座標(1:4:10)と、第6の座標(1:1:4)
と、第7の座標(2:2:1)と、前記第1の座標と、を、順番に線分で結んだ範囲内の
原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第7の座標を含むことが好ましい。
Alternatively, one embodiment of the present invention is a semiconductor device including the oxide semiconductor film described above.
Further, in the above structure, the oxide semiconductor includes a first conductive layer, a first insulating film in contact with the top surface and side surfaces of the first conductive layer, and a pair of electrodes in contact with the top surface of the oxide semiconductor film. The membrane is the first
preferably has a region in contact with the upper surface of the insulating film. Further, in the above structure, the first conductive layer, the first insulating film in contact with the top surface and the side surface of the first conductive layer, the second insulating film in contact with the top surface of the oxide semiconductor film, and the oxide semiconductor film. It is preferable that the oxide semiconductor film has a top surface and a pair of electrodes that are in contact with the top surface and the side surface of the second insulating film, and that the oxide semiconductor film has a region that is in contact with the top surface of the first insulating film. Further, the above structure preferably includes a second oxide film in contact with the top surface of the oxide semiconductor film. In the above structure, the electron affinity of the oxide in the oxide semiconductor film is preferably higher than the electron affinity of the oxide in the second oxide film. Further, in the above structure, the second oxide film includes indium, the element M, and zinc, and the element M
is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, and tin, and the atomic ratio of indium, element M, and zinc in the second oxide film is indium: element M: zinc It is represented by x 2 : y 2 : z 2 , and (x 2 : y 2 : z 2 ) is the first coordinate (8: 1
4:7), a second coordinate (2:4:3), a third coordinate (2:5:7), and a fourth coordinate (
51:149:300), the fifth coordinate (1:4:10) and the sixth coordinate (1:1:4)
, the seventh coordinate (2:2:1), and the first coordinate are connected in order by a line segment, and the range is from the first coordinate to It preferably includes a seventh coordinate.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置と、表示素子と、を有する表示装
置である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is a display device including the semiconductor device described above and a display element.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置、または、上記に記載の表示装置
と、FPCと、を有するモジュールである。
Alternatively, one embodiment of the present invention is a module including the semiconductor device or the display device described above, and an FPC.

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置、上記に記載の表示装置、または
、上記に記載のモジュールと、マイクロフォン、スピーカー、または、操作キーと、を有
する電子機器である。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an electronic device including the above semiconductor device, the above display device, or the above module, a microphone, a speaker, or an operation key.

本発明の一態様により、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。また、
信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device can have favorable electrical characteristics. again,
A highly reliable semiconductor device can be provided.

また、ばらつきの少ないトランジスタを提供することができる。また、保持特性の良好
な記憶素子を有する半導体装置を提供することができる。また、微細化に適した半導体装
置を提供することができる。また、回路面積を縮小した半導体装置を提供することができ
る。また、新規な構成の半導体装置を提供することができる。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。
In addition, transistors with little variation can be provided. Further, a semiconductor device having a memory element with good retention characteristics can be provided. Also, a semiconductor device suitable for miniaturization can be provided. Also, a semiconductor device with a reduced circuit area can be provided. Further, a semiconductor device with a novel structure can be provided. 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 naturally apparent from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. From the descriptions of the specification, drawings, claims, etc.,
It is possible to extract effects other than these.

本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。4A and 4B illustrate the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。4A and 4B illustrate the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention; 原子数比を説明する図。The figure explaining an atomic number ratio. 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。4A and 4B illustrate the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るターゲットの原子数比を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating an atomic ratio of a target according to one embodiment of the present invention; 原子数比を説明する図。The figure explaining an atomic number ratio. 酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。1A and 1B show a nanobeam electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film and an example of a transmission electron diffraction measurement apparatus; nc-OSのX線回折装置による解析結果を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the analysis results of nc-OS by an X-ray diffraction apparatus; nc-OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS. InGaZnOの結晶を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining a crystal of InGaZnO 4 ; 本発明の一態様に係るトランジスタの一部のバンド構造を示す図。4A and 4B illustrate band structures of part of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; CAAC-OSおよびnc-OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。FIG. 4 shows Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM images of CAAC-OS and nc-OS. CAAC-OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS; CAAC-OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS; nc-OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of nc-OS; nc-OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of nc-OS; CAAC-OSおよびnc-OSのCs補正高分解能断面TEM像によって観測されたペレットサイズと、その頻度を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the pellet size and its frequency observed by Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM images of CAAC-OS and nc-OS. ターゲットの原子数比と酸化物半導体膜の原子数比の関係を示す図。FIG. 11 shows the relationship between the atomic ratio of a target and the atomic ratio of an oxide semiconductor film; nc-OSの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。Schematic diagram for explaining a film formation model of an nc-OS, and a diagram showing a pellet. 成膜装置を説明する模式図。The schematic diagram explaining a film-forming apparatus. 表示装置を説明するブロック図及び回路図。4A and 4B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a display device; 実施の形態に係る、表示モジュールの図。FIG. 4 is a diagram of a display module according to an embodiment; 実施の形態に係る、RFタグの構成例。1 is a configuration example of an RF tag according to an embodiment; トランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。4A and 4B illustrate an example of a transistor according to one embodiment of the present invention; 表示装置の一態様を示す上面図。FIG. 10 is a top view illustrating one mode of a display device; 表示装置の一態様を示す断面図。1A and 1B are cross-sectional views each illustrating one mode of a display device; 表示装置の一態様を示す断面図。1A and 1B are cross-sectional views each illustrating one mode of a display device; 実施の形態に係る、回路図。A circuit diagram according to an embodiment. 本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示す図。1A and 1B illustrate an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。4A and 4B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention; 本発明の一態様に係る酸化物半導体膜のXRD評価結果。4 shows XRD evaluation results of an oxide semiconductor film according to one embodiment of the present invention. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。Electron diffraction pattern of oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のTDS分析結果。4A and 4B are TDS analysis results of an oxide semiconductor film. 電子線照射による結晶の変化を示す図。The figure which shows the change of the crystal|crystallization by electron beam irradiation. 実施の形態に係る、RFタグの使用例。An example of using the RF tag according to the embodiment. 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment. 酸化物半導体膜の膜密度を示す図。4A and 4B show film densities of oxide semiconductor films; 酸化物半導体膜のエッチングレートを示す図。4A and 4B show etching rates of oxide semiconductor films; 酸化物半導体膜の脱離ガスの放出量を示す図。4A and 4B show the amount of desorbed gas released from an oxide semiconductor film; 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。4A and 4B show hydrogen concentrations in oxide semiconductor films; 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。4A and 4B illustrate crystal sizes of oxide semiconductor films; 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。4A and 4B illustrate crystal sizes of oxide semiconductor films; 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。4A and 4B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film; 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。4A and 4B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film; 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。4A and 4B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film; a-like OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-sectional TEM image of a-like OS. 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。4A and 4B show hydrogen concentrations in oxide semiconductor films;

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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更
し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、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。
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 easily 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.

なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には
同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様
の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
In the configuration of the invention to be described below, the same reference numerals are used in common for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated description thereof will be omitted. Moreover, when referring to similar functions, the hatch patterns may be the same and no particular reference numerals may be attached.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、
明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されな
い。
In each drawing described in this specification, the size, layer thickness, or region of each configuration is
May be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale.

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

また、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。従って、-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。従って、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。
In this specification, 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. again,"
"Substantially parallel" refers to 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.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制
御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは
、IGFET(Insulated Gate Field Effect Trans
istor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor
)を含む。
A transistor is a type of semiconductor element, and can achieve current or voltage amplification, switching operation for controlling conduction or non-conduction, and the like. A transistor in this specification is an IGFET (Insulated Gate Field Effect Trans
Itor) and thin film transistors (TFT: Thin Film Transistor
)including.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an example of an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。
非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC-OS(C Axis Aligned Cry
stalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体
膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
Oxide semiconductor films are roughly classified into non-single-crystal oxide semiconductor films and single-crystal oxide semiconductor films.
The non-single-crystal oxide semiconductor film is CAAC-OS (C Axis Aligned Cry
(Stalline Oxide Semiconductor) film, polycrystalline oxide semiconductor film, microcrystalline oxide semiconductor film, amorphous oxide semiconductor film, and the like.

単結晶は、例えば約1000℃以上の高い温度において焼成することで形成できる場合
がある。よって、産業上の観点では、より低い温度で形成できる非単結晶酸化物半導体膜
を用いることにより、半導体装置をより安価に作製できるため好ましいといえる。
Single crystals may be formed by firing at high temperatures, for example, about 1000° C. or higher. Therefore, from an industrial point of view, a semiconductor device can be manufactured at a lower cost by using a non-single-crystal oxide semiconductor film that can be formed at a lower temperature, which is preferable.

酸化物半導体膜の粒界は、少ないほど好ましい。粒界を少なくすることにより、例えば
キャリア移動度を高めることができる。粒界の少ない酸化物半導体膜を用いてトランジス
タを作製することにより、例えば電界効果移動度の高いトランジスタを実現することがで
きる場合がある。後に詳細を述べるが、粒界の少ない非単結晶酸化物半導体膜として、例
えばnc-OS膜やCAAC-OS膜が挙げられる。
The number of grain boundaries in the oxide semiconductor film is preferably as small as possible. By reducing grain boundaries, for example, carrier mobility can be increased. By manufacturing a transistor using an oxide semiconductor film with few grain boundaries, a transistor with high field-effect mobility can be realized in some cases. Although details will be described later, non-single-crystal oxide semiconductor films with few grain boundaries include, for example, an nc-OS film and a CAAC-OS film.

一方、酸化物半導体膜は、スピネル構造の結晶を有する場合がある。スピネル構造の結
晶がCAAC-OS膜やnc-OS膜に混在することにより、明確な境界部(または粒界
)を形成する場合がある。境界部では例えばキャリアの散乱が増大し、キャリアの移動度
が低下する場合がある。また、境界部は不純物の移動経路になりやすく、また不純物を捕
獲しやすいと考えられるため、酸化物半導体膜の不純物濃度が高まる懸念がある。また、
酸化物半導体膜上に導電膜を形成する場合に、導電膜の有する元素、例えば金属等がスピ
ネルと他の領域の境界部に拡散してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜には、ス
ピネル型の結晶構造が含まれない、または少ないことがより好ましい。
On the other hand, an oxide semiconductor film may have crystals with a spinel structure. When crystals with a spinel structure coexist in the CAAC-OS film and the nc-OS film, a distinct boundary (or grain boundary) may be formed. At the boundary, for example, carrier scattering may increase and carrier mobility may decrease. In addition, since the boundary is likely to serve as a migration path for impurities and tends to capture impurities, there is a concern that the impurity concentration of the oxide semiconductor film may increase. again,
When a conductive film is formed over an oxide semiconductor film, an element contained in the conductive film, such as a metal, might diffuse to the boundary between the spinel and another region. Therefore, it is more preferable that the oxide semiconductor film does not contain a spinel-type crystal structure or has a spinel-type crystal structure in a small amount.

ここで酸化物半導体は、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。酸化物半導体
がインジウムを含むと、例えばキャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物
半導体は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム、
イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ
素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、モ
リブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステンなどが
ある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元
素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネ
ルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体の
エネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体は、亜鉛
を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。ここ
で、インジウム、元素M及び亜鉛を含む酸化物をIn-M-Zn酸化物と表す。
Here, the oxide semiconductor is, for example, an oxide semiconductor containing indium. When the oxide semiconductor contains indium, for example, carrier mobility (electron mobility) increases. Further, the oxide semiconductor preferably contains the element M. Element M is preferably aluminum, gallium,
Yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, yttrium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, and tungsten. However, as the element M, there are cases where a plurality of the above elements may be combined. The element M is, for example, an element having high bonding energy with oxygen. For example, it is an element whose bonding energy with oxygen is higher than that of indium. Alternatively, the element M is, for example, an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor. Further, the oxide semiconductor preferably contains zinc. An oxide semiconductor containing zinc tends to crystallize in some cases. Here, an oxide containing indium, the element M, and zinc is referred to as an In--M--Zn oxide.

[原子数の比について]
本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜の原子数の比をIn:
M:Zn=x:y:zと表す。x、y及びzの好ましい範囲について、図1及び図2を用
いて説明する。
[Regarding atomic number ratio]
In the In—M—Zn oxide film which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention, the ratio of the number of atoms of In:
M:Zn=x:y:z. Preferred ranges of x, y and z will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.

ここで、各元素の原子数の比について、図3を用いて説明する。図3は、X-Y-Z酸
化物膜における、元素X、Y及びZの原子数の比をx:y:zとした時の、x、y及びz
の範囲について示す図である。なお、酸素の原子数比については図3には記載していない
。また図3を平衡状態図と呼ぶ場合がある。図3(A)及び図3(B)には、X、Y及び
Zを頂点とする正三角形と、座標の例として座標R(4:2:1)を示す。ここで各頂点
はそれぞれ元素X、Y及びZを表す。原子数の比におけるそれぞれの項の値は、座標が各
頂点に近いほど高く、遠いほど低い。また、図3(A)に示すように原子数の比における
それぞれの項の値は、座標から、その三角形の頂点の対辺までの垂線の長さであらわされ
る。例えば、元素Xであれば、座標から頂点Xの対辺、すなわち辺YZまでの垂線21の
長さで表される。よって、図3に示す座標Rは、元素X、元素Y及び元素Zの原子数比が
垂線21、垂線22及び垂線23の長さの比、すなわちx:y:z=4:2:1であるこ
とを表す。また、頂点Xと座標Rを通る直線が辺YZと交わる点をγとする。この時、線
分Yγの長さと線分γZの長さの比をYγ:γZとすると、Yγ:γZ=(元素Zの原子
数):(元素Yの原子数)となる。
Here, the atomic number ratio of each element will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows x, y, and z when the ratio of the number of atoms of the elements X, Y, and Z in the XYZ oxide film is x:y:z.
is a diagram showing the range of . Note that the atomic number ratio of oxygen is not shown in FIG. Also, FIG. 3 may be called an equilibrium diagram. FIGS. 3A and 3B show an equilateral triangle having vertices X, Y, and Z, and coordinates R (4:2:1) as an example of coordinates. Here each vertex represents an element X, Y and Z respectively. The value of each term in the atomic number ratio is higher when the coordinates are closer to each vertex and lower when the coordinates are further away. Also, as shown in FIG. 3A, the value of each term in the atomic number ratio is represented by the length of the perpendicular line from the coordinates to the opposite side of the vertex of the triangle. For example, element X is represented by the length of perpendicular 21 from the coordinates to the opposite side of vertex X, that is, side YZ. Therefore, the coordinate R shown in FIG. represents something. Also, let γ be the point where the straight line passing through the vertex X and the coordinate R intersects the side YZ. At this time, if the ratio of the length of the line segment Yγ and the length of the line segment γZ is Yγ:γZ, then Yγ:γZ=(number of atoms of element Z):(number of atoms of element Y).

また、図3(B)に示すように、座標Rを通り、三角形の3辺とそれぞれ平行な3つの
直線を引く。この時3つの直線と3辺との交点を用いて、x、y、及びzは図3(B)に
示す通り表すことができる。
Also, as shown in FIG. 3B, draw three straight lines that pass through the coordinate R and are parallel to the three sides of the triangle. At this time, x, y, and z can be expressed as shown in FIG. 3(B) using the intersections of the three straight lines and the three sides.

図6には、In-M-Zn酸化物膜においてx:y:zが以下の式を満たす場合につい
て、その範囲を破線で示している。
In FIG. 6, the dashed line indicates the range where x:y:z satisfies the following formula in the In--M--Zn oxide film.

x:y:z=(1-α):(1+α):m(-1≦α≦1) x: y: z = (1-α): (1 + α): m (-1 ≤ α ≤ 1)

ここで、図6にはm=1,2,3,4,5の場合を示す。 Here, FIG. 6 shows cases where m=1, 2, 3, 4, and 5. FIG.

非特許文献1に記載されているように、In-M-Zn酸化物では、InMO(Zn
O)(mは自然数)で表されるホモロガス相(ホモロガスシリーズ)が存在することが
知られている。ここで例として元素MがGaである場合を考える。図6に太い直線で示し
た領域は、例えば、In、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で
焼成した場合に、単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。固溶域は、
mの値を大きくする、すなわち亜鉛の比率を高めるのに伴い、広くなることが知られてい
る。
As described in Non-Patent Document 1, in In-M-Zn oxide, InMO 3 (Zn
O) It is known that a homologous phase (homologous series) represented by m (m is a natural number) exists. Here, as an example, consider the case where the element M is Ga. The region indicated by the thick straight line in FIG. 6 can be a single-phase solid solution region when, for example, powders of In 2 O 3 , Ga 2 O 3 and ZnO are mixed and fired at 1350° C. is a known composition. The solid solution region is
It is known that as the value of m is increased, that is, as the proportion of zinc is increased, it becomes broader.

また図6に四角のシンボルで示す座標は、非特許文献1に記載されているように、例え
ばIn、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、
スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。図6に示すように
ZnGaの近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,2,1)に
近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが非
特許文献1に記載されている。
In addition , the coordinates indicated by square symbols in FIG. ,
It is known that the spinel type crystal structure is likely to be mixed in the composition. As shown in FIG. 6, the composition near ZnGa 2 O 4 , that is, when x, y and z have values close to (x, y, z)=(0, 2, 1), spinel crystals Non-Patent Document 1 describes that the structures are easily formed or mixed.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜は、インジウムの比率
を高めることが好ましい。In-M-Zn酸化物膜では主として金属原子のs軌道がキャ
リア伝導に寄与しており、インジウム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、インジウムの含有率が多いとキャリア移動度はより高くなる。このような
膜をチャネル領域に用いてトランジスタを作製することにより、例えば高い電界効果移動
度を有するトランジスタを実現することができる。例えば、x/y>0.5が好ましく、
x/y≧0.75がより好ましく、x/y≧1がさらに好ましい。また、(x+y)≧z
が好ましい。
The In—M—Zn oxide film, which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention, preferably has a high indium content. In the In—M—Zn oxide film, s orbitals of metal atoms mainly contribute to carrier conduction. Carrier mobility becomes higher. By manufacturing a transistor using such a film for a channel region, a transistor having high field-effect mobility, for example, can be realized. For example, preferably x/y>0.5,
x/y≧0.75 is more preferred, and x/y≧1 is even more preferred. Moreover, (x+y)≧z
is preferred.

よってx、y及びzは図1に示す領域11内の原子数の比を有することが好ましく、図
2(A)に示す領域12の原子数の比を有することがより好ましい。ここで領域11は、
第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3
)と、第3の座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:
149:300)と、第5の座標N(x:y:z=46:288:833)と、第6の座
標O(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標P(x:y:z=0:0:1)と、第
8の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ
領域内である。なお、領域11には8つの点を結んだ線分を含む。また領域11からは座
標P及び座標Qを除き、その他の座標は領域11に含む。また領域12は、第1の座標K
(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の
座標L(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標S(x:y:z=1:0:1)と、第
5の座標Q(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結んだ
領域内である。なお、領域12には、5つの点を結んだ線分を含む。また領域12からは
座標Qを除き、その他の座標は領域12に含む。
Therefore, x, y, and z preferably have the ratio of the number of atoms in the region 11 shown in FIG. 1, and more preferably have the ratio of the number of atoms in the region 12 shown in FIG. 2(A). where region 11 is
A first coordinate K (x:y:z=8:14:7) and a second coordinate R (x:y:z=2:4:3)
), a third coordinate L (x:y:z=2:5:7), and a fourth coordinate M (x:y:z=51:
149:300), a fifth coordinate N (x:y:z=46:288:833), a sixth coordinate O (x:y:z=0:2:11), and a seventh coordinate P (x: y: z = 0: 0: 1), the eighth coordinate Q (x: y: z = 1: 0: 0), and the first coordinate K in order with a line segment It is within the connected area. Note that the region 11 includes line segments connecting the eight points. Also, the coordinates P and Q are excluded from the area 11, and the other coordinates are included in the area 11. FIG. Also, the region 12 is defined by the first coordinate K
(x: y: z = 8: 14: 7), a second coordinate R (x: y: z = 2: 4: 3), and a third coordinate L (x: y: z = 2: 5 :7), a fourth coordinate S (x:y:z=1:0:1), a fifth coordinate Q (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate It is within the area where K and K are connected in order by line segments. Note that the area 12 includes a line segment connecting five points. Also, the coordinate Q is excluded from the region 12 and the other coordinates are included in the region 12 .

[酸化物半導体膜の構造]
次に、酸化物半導体膜の構造について説明する。
[Structure of oxide semiconductor film]
Next, the structure of the oxide semiconductor film is described.

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

CAAC-OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである
A CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Micr
oscope)によって、CAAC-OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像
(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる
。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレイン
バウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC-OS膜は、
結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
Transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Micro
A plurality of crystal parts can be confirmed by observing a bright-field image of the CAAC-OS film and a combined analysis image of the diffraction pattern (also referred to as a high-resolution TEM image) using an oscopy. On the other hand, even with a high-resolution TEM image, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also called a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, the CAAC-OS film is
It can be said that the decrease in electron mobility caused by the grain boundaries is less likely to occur.

試料面と略平行な方向から、CAAC-OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると
、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は
、CAAC-OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映し
た形状であり、CAAC-OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。
When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting the unevenness of the surface on which the CAAC-OS film is formed (also referred to as the surface on which the CAAC-OS film is formed) or the upper surface, and is arranged in parallel with the surface on which the CAAC-OS film is formed or the upper surface. .

一方、試料面と略垂直な方向から、CAAC-OS膜の平面の高分解能TEM像を観察
すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認
できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
On the other hand, when a high-resolution TEM image of the plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular or hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

なお、CAAC-OS膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が
観測される。例えば、CAAC-OS膜の被形成面または上面に対し、例えば1nm以上
30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、ス
ポットが観測される(図7(B)参照。)。
Note that when the CAAC-OS film is subjected to electron diffraction, spots (bright spots) indicating orientation are observed. For example, when the surface or top surface of the CAAC-OS film is subjected to electron diffraction using an electron beam of 1 nm or more and 30 nm or less (also referred to as nanobeam electron diffraction), spots are observed (FIG. 7B). reference.).

断面の高分解能TEM像および平面の高分解能TEM像より、CAAC-OS膜の結晶
部は配向性を有していることがわかる。
From the cross-sectional high-resolution TEM image and the planar high-resolution TEM image, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.

なお、CAAC-OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方
体内に収まる大きさである。従って、CAAC-OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10
nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。た
だし、CAAC-OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領
域を形成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm
上、5μm以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。
Note that most of the crystal parts included in the CAAC-OS film have a size that fits within a cube with one side of less than 100 nm. Therefore, each side of the crystal part included in the CAAC-OS film is 10
A size that fits within a cube of less than nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is also included. However, a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, a crystalline region of 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed in a planar high-resolution TEM image.

CAAC-OS膜に対し、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)
装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有するCAAC-OS
膜のout-of-plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピーク
が現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属され
ることから、CAAC-OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に
略垂直な方向を向いていることが確認できる。
X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) for the CAAC-OS film
Structural analysis using the apparatus revealed, for example, a CAAC-OS having InGaZnO 4 crystals.
In the film analysis by the out-of-plane method, a peak may appear near the diffraction angle (2θ) of 31°. Since this peak is attributed to the (009) plane of the crystal of InGaZnO 4 , the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or top surface. It can be confirmed that

一方、CAAC-OS膜に対し、c軸に略垂直な方向からX線を入射させるin-pl
ane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化
物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)と
して試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に
帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC-OS膜の場合は、2θを5
6°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
On the other hand, the in-pl method in which X-rays are incident on the CAAC-OS film from a direction substantially perpendicular to the c-axis
In the analysis by the ane method, a peak may appear near 2θ of 56°. This peak is assigned to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single-crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , 2θ is fixed around 56°, and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample around the normal vector of the sample surface (φ axis). Six peaks attributed to crystal planes equivalent to the 110) plane are observed. On the other hand, in the case of the CAAC-OS film, 2θ is 5.
A clear peak does not appear even when φ scanning is performed with the angle fixed at around 6°.

以上のことから、CAAC-OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は
不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平
行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面の高分解能TEM観察で確認さ
れた層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
From the above, in the CAAC-OS film, although the orientation of the a-axis and b-axis is irregular between different crystal parts, it has c-axis orientation and the c-axis is normal to the formation surface or the upper surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of the metal atoms arranged in layers confirmed by the high-resolution TEM observation of the cross section is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC-OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を
行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC-OS膜の被形成面ま
たは上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC-OS膜の
形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC-OS膜の被形成
面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
Note that the crystal part is formed when the CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or top surface of the CAAC-OS film.

また、CAAC-OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい
。例えば、CAAC-OS膜の結晶部が、CAAC-OS膜の上面近傍からの結晶成長に
よって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶
部の割合が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC-OS膜は、不純物
が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成され
ることもある。
In addition, the distribution of c-axis oriented crystal parts may not be uniform in the CAAC-OS film. For example, when the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS film, the ratio of the c-axis oriented crystal parts in the area near the upper surface is higher than that in the area near the formation surface. can be higher. In addition, in the CAAC-OS film to which impurities are added, the regions to which the impurities are added may be degraded, and regions having different proportions of c-axis oriented crystal parts may be formed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC-OS膜のout-of-plane
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC-OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC-OS膜は、2θが31°近傍
にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
Note that the out-of-plane of the CAAC-OS film having InGaZnO 4 crystals
In the analysis by the method, in addition to the peak near 31° 2θ, a peak may also appear near 36° 2θ. The peak near 36° of 2θ indicates that a portion of the CAAC-OS film contains crystals that do not have c-axis orientation. The CAAC-OS film preferably shows a peak near 31° in 2θ and does not show a peak near 36° in 2θ.

CAAC-OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素
、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリ
コンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸
化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させ
る要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半
径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜
の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不
純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. Impurities are elements other than the main components of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, and transition metal elements. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element forming the oxide semiconductor film, deprives the oxide semiconductor film of oxygen, thereby disturbing the atomic arrangement of the oxide semiconductor film and increasing the crystallinity. is a factor that lowers In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, and carbon dioxide have large atomic radii (or molecular radii). is a factor that lowers Note that impurities contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

また、例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素
を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。CAAC-OS膜は、欠陥準
位密度の低い酸化物半導体膜である。具体的には、8×1011/cm未満、好ましく
は1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×
10-9/cm以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。
Further, for example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film may trap carriers or generate carriers by trapping hydrogen. A CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low defect state density. Specifically, it is less than 8×10 11 /cm 3 , preferably less than 1×10 11 /cm 3 , more preferably less than 1×10 10 /cm 3 , and 1×
An oxide semiconductor with a carrier density of 10 −9 /cm 3 or more can be used.

また、CAAC-OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特
性の変動が小さい。
In addition, a transistor using a CAAC-OS film has little change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

次に、多結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a polycrystalline oxide semiconductor film will be described.

多結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶粒を確認することができる。
多結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶粒は、例えば、高分解能TEM像で、2nm以上3
00nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であるこ
とが多い。また、多結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像で、結晶粒界を確認できる
場合がある。
Crystal grains can be found in a high-resolution TEM image of the polycrystalline oxide semiconductor film.
Crystal grains included in the polycrystalline oxide semiconductor film are, for example, 2 nm or more and 3 nm in a high-resolution TEM image.
The particle size is often 00 nm or less, 3 nm or more and 100 nm or less, or 5 nm or more and 50 nm or less. In a high-resolution TEM image of the polycrystalline oxide semiconductor film, grain boundaries can be found in some cases.

多結晶酸化物半導体膜は、複数の結晶粒を有し、当該複数の結晶粒間において結晶の方
位が異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いて
構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有する多結晶酸化物半導体膜のou
t-of-plane法による解析では、2θが31°近傍のピーク、2θが36°近傍
のピーク、またはそのほかのピークが現れる場合がある。
A polycrystalline oxide semiconductor film has a plurality of crystal grains, and the crystal orientation is different between the crystal grains in some cases. Further, when structural analysis is performed on the polycrystalline oxide semiconductor film using an XRD apparatus, the ou of the polycrystalline oxide semiconductor film having crystals of InGaZnO 4 , for example, is found.
In the analysis by the t-of-plane method, a peak near 31° 2θ, a peak near 36° 2θ, or other peaks may appear.

多結晶酸化物半導体膜は、高い結晶性を有するため、高い電子移動度を有する場合があ
る。従って、多結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有す
る。ただし、多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、
多結晶酸化物半導体膜の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体膜は、結晶粒界
がキャリアトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体膜を用
いたトランジスタは、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる場合が
ある。
A polycrystalline oxide semiconductor film has high crystallinity and thus may have high electron mobility. Therefore, a transistor including a polycrystalline oxide semiconductor film has high field-effect mobility. However, in the polycrystalline oxide semiconductor film, impurities may segregate at grain boundaries. again,
A crystal grain boundary of the polycrystalline oxide semiconductor film becomes a defect level. In a polycrystalline oxide semiconductor film, grain boundaries may become a carrier trap or a carrier generation source; therefore, a transistor using a polycrystalline oxide semiconductor film has large fluctuations in electrical characteristics and is therefore unreliable. may become.

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において、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。微結晶酸化物半導体
膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大
きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の
微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、n
c-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor
)膜と呼ぶ。また、nc-OS膜は、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。
In a high-resolution TEM image, a microcrystalline oxide semiconductor film has regions where crystal parts can be seen and regions where clear crystal parts cannot be seen. A crystal part included in a microcrystalline oxide semiconductor film often has a size of 1 nm to 100 nm or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film having nanocrystals (nc), which are microcrystals with a size of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm, is
c-OS (nanocrystalline oxide semiconductor
) membrane. In addition, in the nc-OS film, for example, in a high-resolution TEM image, crystal grain boundaries may not be clearly confirmed.

nc-OS膜は、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膜は、異な
る結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。
従って、nc-OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない
場合がある。例えば、nc-OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD
装置を用いて構造解析を行うと、out-of-plane法による解析では、結晶面を
示す31°近傍のピークが検出されない(図8参照)。また、nc-OS膜に対し、結晶
部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野
電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一
方、nc-OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線
を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc-OS膜に対
しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測さ
れる場合がある。また、nc-OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領
域内に複数のスポットが観測される場合がある。例えば、図9(A)に示すように、厚さ
が50nm程度のnc-OSに対して、プローブ径を30nm、20nm、10nmまた
は1nmとしたナノビーム電子回折を行うと、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。また、プローブ径を小さくしていくと、リング状の領域が複数のスポ
ットから形成されていることがわかる。
The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). Further, in the nc-OS film, there is no regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, no orientation is observed in the entire film.
Therefore, the nc-OS film may be indistinguishable from the amorphous oxide semiconductor film depending on the analysis method. For example, for the nc-OS film, XRD using X-rays with a diameter larger than the crystal part
Structural analysis is performed using an apparatus, and in the out-of-plane analysis, a peak near 31° indicating a crystal plane is not detected (see FIG. 8). Further, when the nc-OS film is subjected to electron diffraction (also referred to as selected area electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the crystal part, a diffraction pattern like a halo pattern is observed. be done. On the other hand, when the nc-OS film is subjected to nanobeam electron diffraction using an electron beam with a probe diameter close to or smaller than the size of the crystal part, spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a circular (ring-like) region with high brightness may be observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed within a ring-shaped region. For example, as shown in FIG. 9A, when nanobeam electron diffraction is performed with a probe diameter of 30 nm, 20 nm, 10 nm, or 1 nm for an nc-OS with a thickness of about 50 nm, a circle ( A region with high brightness is observed (like a ring). Further, it can be seen that a ring-shaped region is formed from a plurality of spots as the probe diameter is decreased.

さらに詳細な構造解析のために、nc-OS膜を厚さ数nm(5nm程度)に薄片化し
、プローブ径1nmの電子線を用いて、透過電子回折パターンを取得する。その結果、図
9(B)に示す結晶性を示すスポットを有する透過電子回折パターンが得られた。
For more detailed structural analysis, the nc-OS film is thinned to a thickness of several nanometers (about 5 nm), and a transmission electron diffraction pattern is obtained using an electron beam with a probe diameter of 1 nm. As a result, a transmission electron diffraction pattern having spots showing crystallinity shown in FIG. 9B was obtained.

また、nc-OS膜に対してナノビーム電子回折を行うと、2つのリング状の領域が観
測される場合がある。
Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, two ring-shaped regions may be observed.

nc-OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そ
のため、nc-OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。
The nc-OS film is an oxide semiconductor film with higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower defect level density than the amorphous oxide semiconductor film.

また、nc-OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、
nc-OS膜は、CAAC-OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。従って、nc-O
S膜は、CAAC-OS膜と比べて、キャリア密度が高くなる場合がある。キャリア密度
が高い酸化物半導体膜は、電子移動度が高くなる場合がある。従って、nc-OS膜を用
いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。
Further, in the nc-OS film, there is no regularity in crystal orientation between different crystal parts. for that reason,
The nc-OS film has a higher defect level density than the CAAC-OS film. Therefore, nc-O
The S film may have a higher carrier density than the CAAC-OS film. An oxide semiconductor film with high carrier density might have high electron mobility. Therefore, a transistor using an nc-OS film may have high field effect mobility.

nc-OS膜は、CAAC-OS膜と比べて低い温度で形成できる。また、nc-OS
膜は、比較的不純物が多く含まれていても形成することができる場合がある。よって、n
c-OS膜は、CAAC-OS膜よりも形成が容易となる場合がある。そのため、nc-
OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場
合がある。
The nc-OS film can be formed at a lower temperature than the CAAC-OS film. Also, nc-OS
In some cases, the film can be formed even when it is relatively doped. Therefore, n
A c-OS film may be easier to form than a CAAC-OS film. Therefore, nc-
A semiconductor device including a transistor including an OS film can be manufactured with high productivity in some cases.

また、nc-OS膜は、適度な酸素透過性を有する場合がある。適度な酸素透過性を有
する場合には、例えば過剰酸素を有する膜から放出される酸素がnc-OS膜全体に拡散
しやすい。よって、nc-OS膜では、酸素欠損を低減しやすい場合がある。
In addition, the nc-OS film may have moderate oxygen permeability. When the film has moderate oxygen permeability, for example, oxygen released from the film containing excess oxygen easily diffuses throughout the nc-OS film. Therefore, oxygen vacancies can be easily reduced in the nc-OS film in some cases.

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性また
は実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体
膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当
該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノ
ーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度
真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体
膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる
。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する
時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高
く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定とな
る場合がある。
A low impurity concentration and a low defect level density (few oxygen vacancies) is called high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has electrical characteristics such that the threshold voltage is negative (also referred to as normally-on). In addition, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has little variation in electrical characteristics and is highly reliable. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave like a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states might have unstable electrical characteristics.

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。 Next, an amorphous oxide semiconductor film will be described.

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸
化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film in which the atomic arrangement in the film is irregular and which does not have a crystal part. An example is an oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz.

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶部を確認することができない
A crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image of the amorphous oxide semiconductor film.

非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、out-of-
plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターン
が観測される。
When structural analysis using an XRD apparatus is performed on an amorphous oxide semiconductor film, out-of-
In the analysis by the plane method, no peaks indicating crystal planes are detected. In addition, a halo pattern is observed when the amorphous oxide semiconductor film is subjected to electron diffraction. Further, when the amorphous oxide semiconductor film is subjected to nanobeam electron diffraction, no spots are observed but a halo pattern is observed.

非晶質酸化物半導体膜は、水素などの不純物を高い濃度で含む酸化物半導体膜である。
また、非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜である。
An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film containing impurities such as hydrogen at a high concentration.
An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film with a high density of defect states.

不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜は、キャリアトラップやキャリ
ア発生源が多い酸化物半導体膜である。
An oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high defect level density has many carrier traps and many carrier generation sources.

従って、非晶質酸化物半導体膜は、nc-OS膜と比べて、さらにキャリア密度が高く
なる場合がある。そのため、非晶質酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリー
オンの電気特性になりやすい。従って、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジ
スタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が
高いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。従って、非晶質酸化物半導体膜を用
いたトランジスタは、CAAC-OS膜やnc-OS膜を用いたトランジスタと比べて、
電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。
Therefore, the amorphous oxide semiconductor film may have a higher carrier density than the nc-OS film. Therefore, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film tends to have normally-on electrical characteristics. Therefore, in some cases, it can be suitably used for a transistor that requires normally-on electrical characteristics. Since the amorphous oxide semiconductor film has a high density of defect states, the number of carrier traps may increase. Therefore, a transistor including an amorphous oxide semiconductor film has a lower cost than a transistor including a CAAC-OS film or an nc-OS film.
The transistor has a large variation in electric characteristics and a low reliability.

次に、単結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a single crystal oxide semiconductor film is described.

単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損が少ない
)酸化物半導体膜である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。従って、単
結晶酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少
ない。また、単結晶酸化物半導体膜は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キ
ャリアトラップが少なくなる場合がある。従って、単結晶酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
A single crystal oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration and a low density of defect states (few oxygen vacancies). Therefore, carrier density can be lowered. Therefore, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film rarely has normally-on electrical characteristics. Further, since the single crystal oxide semiconductor film has a low impurity concentration and a low density of defect states, the number of carrier traps may be reduced. Therefore, a transistor including a single crystal oxide semiconductor film has little variation in electrical characteristics and is highly reliable.

なお、酸化物半導体膜は、欠陥が少ないと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、
結晶性が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体膜は、水素などの不純物濃度が低い
と密度が高くなる。単結晶酸化物半導体膜は、CAAC-OS膜よりも密度が高い。また
、CAAC-OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半
導体膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体膜は、非
晶質酸化物半導体膜よりも密度が高い。
Note that the oxide semiconductor film has a high density when there are few defects. Further, the oxide semiconductor film is
The higher the crystallinity, the higher the density. In addition, the oxide semiconductor film has a high density when the concentration of impurities such as hydrogen is low. A single-crystal oxide semiconductor film has a higher density than a CAAC-OS film. Further, the CAAC-OS film has a higher density than the microcrystalline oxide semiconductor film. A polycrystalline oxide semiconductor film has a higher density than a microcrystalline oxide semiconductor film. In addition, a microcrystalline oxide semiconductor film has a higher density than an amorphous oxide semiconductor film.

なお、酸化物半導体膜は、nc-OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構
造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸
化物半導体(amorphous-like Oxide Semiconductor
:a-like OS)膜と呼ぶ。
Note that the oxide semiconductor film may have a structure that exhibits physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor.
: a-like OS) film.

a-like OS膜は、高分解能TEM像において鬆(ボイドともいう。)が観察さ
れる場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのでき
る領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a-like OS膜は
、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見
られる場合がある。一方、良質なnc-OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な
電子照射による結晶化はほとんど見られない。
In the a-like OS film, voids may be observed in a high-resolution TEM image. In addition, in the high-resolution TEM image, there are regions where crystal parts can be clearly confirmed and regions where crystal parts cannot be confirmed. The a-like OS film may be crystallized by irradiation of a very small amount of electrons, which can be observed with a TEM, and the growth of a crystal part may be observed. On the other hand, if the nc-OS film is of good quality, almost no crystallization due to irradiation of a very small amount of electrons, which can be observed by TEM, is observed.

なお、a-like OS膜およびnc-OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能
TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnOの結晶は層状構造を有し
、In-O層の間に、Ga-Zn-O層を2層有する。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。よって、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0.29n
mと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間
隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がIn
GaZnOの結晶のa-b面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域にお
ける最大長を、a-like OS膜およびnc-OS膜の結晶部の大きさとする。なお
、結晶部の大きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。
Note that the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using a high-resolution TEM image. For example, an InGaZnO 4 crystal has a layered structure, with two Ga--Zn--O layers between In--O layers. The unit cell of the crystal of InGaZnO 4 has a structure in which nine In--O layers and six Ga--Zn--O layers are layered in the c-axis direction. Therefore, the spacing between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as the d value) of the (009) plane, and the value is 0.29 n from crystal structure analysis.
m is required. Therefore, focusing on the lattice fringes in the high-resolution TEM image, each lattice fringe is In
It was assumed to correspond to the ab plane of the GaZnO 4 crystal. The maximum length in the region where the lattice fringes are observed is taken as the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film. In addition, the size of the crystal part is selectively evaluated when it is 0.8 nm or more.

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%未満となる。
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 the single crystal having the same composition.

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、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。
In some cases, single crystals having the same composition do not exist. In that case, by combining single crystals with different compositions at an arbitrary ratio, the density corresponding to a single crystal with a desired composition can be estimated. The density corresponding to a single crystal with a desired composition can be estimated using a weighted average of the ratio of single crystals with different compositions combined. However, it is preferable to estimate the density by combining as few kinds of single crystals as possible.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、a-like OS膜、微
結晶酸化物半導体膜、CAAC-OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい
Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, an a-like OS film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example. .

[ナノビーム電子回折]
次に、ナノビーム電子回折について説明する。
[Nanobeam electron diffraction]
Next, nanobeam electron diffraction will be described.

酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解
析が可能となる場合がある。
When an oxide semiconductor film has multiple structures, structural analysis may be possible by using nanobeam electron diffraction.

図7(C)に、電子銃室610と、電子銃室610の下の光学系612と、光学系61
2の下の試料室614と、試料室614の下の光学系616と、光学系616の下の観察
室620と、観察室620に設置されたカメラ618と、観察室620の下のフィルム室
622と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ618は、観察室620内部に
向けて設置される。なお、フィルム室622を有さなくても構わない。
FIG. 7C shows an electron gun chamber 610, an optical system 612 under the electron gun chamber 610, and an optical system 61
2, an optical system 616 below the sample room 614, an observation room 620 below the optical system 616, a camera 618 installed in the observation room 620, and a film room below the observation room 620. 622 and a transmission electron diffraction measurement apparatus. A camera 618 is installed facing the inside of the observation room 620 . Note that the film chamber 622 may not be provided.

また、図7(D)に、図7(C)で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透
過電子回折測定装置内部では、電子銃室610に設置された電子銃から放出された電子が
、光学系612を介して試料室614に配置された物質628に照射される。物質628
を通過した電子は、光学系616を介して観察室620内部に設置された蛍光板632に
入射する。蛍光板632では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過
電子回折パターンを測定することができる。
Further, FIG. 7(D) shows the internal structure of the transmission electron diffraction measurement apparatus shown in FIG. 7(C). Inside the transmission electron diffraction measurement apparatus, electrons emitted from an electron gun installed in an electron gun chamber 610 are irradiated via an optical system 612 onto a substance 628 arranged in a sample chamber 614 . Substance 628
The electrons passing through enter the fluorescent screen 632 installed inside the observation room 620 via the optical system 616 . A transmission electron diffraction pattern can be measured by the appearance of a pattern corresponding to the intensity of incident electrons on the fluorescent screen 632 .

カメラ618は、蛍光板632を向いて設置されており、蛍光板632に現れたパター
ンを撮影することが可能である。カメラ618のレンズの中央、および蛍光板632の中
央を通る直線と、蛍光板632の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下
、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カ
メラ618で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ
該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能で
ある。なお、カメラ618をフィルム室622に設置しても構わない場合がある。例えば
、カメラ618をフィルム室622に、電子624の入射方向と対向するように設置して
もよい。この場合、蛍光板632の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影す
ることができる。
The camera 618 is installed facing the fluorescent screen 632 and is capable of photographing the pattern appearing on the fluorescent screen 632 . The angle between the straight line passing through the center of the lens of the camera 618 and the center of the fluorescent plate 632 and the upper surface of the fluorescent plate 632 is, for example, 15° or more and 80° or less, 30° or more and 75° or less, or 45° or more and 70°. Below. The smaller the angle, the more distorted the transmission electron diffraction pattern captured by camera 618 . However, if the angle is known in advance, it is possible to correct the distortion of the obtained transmission electron diffraction pattern. Note that the camera 618 may be installed in the film chamber 622 in some cases. For example, camera 618 may be placed in film chamber 622 opposite the direction of incidence of electrons 624 . In this case, a less distorted transmission electron diffraction pattern can be photographed from the rear surface of the fluorescent screen 632 .

試料室614には、試料である物質628を固定するためのホルダが設置されている。
ホルダは、物質628を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例え
ば、物質628をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの
移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上
100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で
移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質628の構造によって最適な範囲
を設定すればよい。
A holder for fixing a substance 628 as a sample is installed in the sample chamber 614 .
The holder is constructed to be transparent to electrons passing through material 628 . The holder may, for example, have the ability to move the substance 628 in the X-axis, Y-axis, Z-axis, and the like. The moving function of the holder only needs to have an accuracy of moving within a range of, for example, 1 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 500 nm, 100 nm to 1 μm. These ranges may be optimized depending on the structure of the substance 628 .

次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定す
る方法について説明する。
Next, a method for measuring a transmission electron diffraction pattern of a substance using the transmission electron diffraction measurement apparatus described above will be described.

例えば、図7(D)に示すように物質におけるナノビームである電子624の照射位置
を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することが
できる。このとき、物質628がCAAC-OS膜であれば、図7(B)に示したような
回折パターンが観測される。または、物質628がnc-OS膜であれば、図7(A)に
示したような回折パターン、例えば円を描くように配置された複数の輝点を有する回折パ
ターン(輝点を伴ったリング状の回折パターン)が観測される。また、図7(A)に示す
回折パターンは、対称に配置されていない(対称性を有さない)輝点を有する。
For example, as shown in FIG. 7D, by changing (scanning) the irradiation position of electrons 624, which are nanobeams, on the substance, it is possible to confirm how the structure of the substance changes. At this time, if the substance 628 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern as shown in FIG. 7B is observed. Alternatively, if the substance 628 is an nc-OS film, a diffraction pattern such as that shown in FIG. diffraction pattern) is observed. Also, the diffraction pattern shown in FIG. 7A has bright spots that are not symmetrically arranged (has no symmetry).

図7(B)に示すように、CAAC-OS膜の回折パターンでは、例えば六角形の頂点
に位置するスポットが確認される。CAAC-OS膜では、照射位置をスキャンすること
により、この六角形の向きが一様ではなく、少しずつ回転している様子がみられる。また
、回転の角度はある幅を有する。
As shown in FIG. 7B, in the diffraction pattern of the CAAC-OS film, for example, spots located at the vertexes of hexagons are confirmed. In the CAAC-OS film, by scanning the irradiation position, the direction of the hexagons is not uniform, and it can be seen that they rotate little by little. Also, the angle of rotation has a certain width.

または、CAAC-OS膜の回折パターンでは、照射位置をスキャンすることにより、
c軸を中心として少しずつ回転する様子が見られる。これは、例えばa軸とb軸が形成す
る面が回転しているともいえる。
Alternatively, in the diffraction pattern of the CAAC-OS film, by scanning the irradiation position,
It can be seen that it rotates about the c-axis little by little. It can be said that the plane formed by, for example, the a-axis and the b-axis is rotating.

ところで、物質628がCAAC-OS膜と同様の回折パターンが観測される領域(以
下、CAAC構造を有する領域という)と、nc-OS膜と同様の回折パターンが観測さ
れる領域(以下、nc構造を有する領域という)とを有する場合がある。ここで、一定の
範囲におけるCAAC-OS膜の回折パターンが観測される領域の割合をCAAC比率(
CAAC化率ともいう。)で表すことができる。同様に、nc-OS膜と同様の回折パタ
ーンが観測される領域の割合をnc比率(nc化率ともいう。)で表すことができる。
By the way, the substance 628 has a region where a diffraction pattern similar to that of the CAAC-OS film is observed (hereinafter referred to as a region having a CAAC structure) and a region where a diffraction pattern similar to that of the nc-OS film is observed (hereinafter referred to as an nc structure). ). Here, the CAAC ratio (
It is also called CAAC ratio. ). Similarly, the ratio of regions where a diffraction pattern similar to that of the nc-OS film is observed can be expressed as an nc ratio (also referred to as an nc conversion ratio).

以下に、CAAC-OS膜のCAAC比率の評価方法について説明する。無作為に測定
点を選び、透過電子回折パターンを取得し、全測定点の数に対し、CAAC-OS膜の回
折パターンが観測される測定点の数の割合を算出する。ここで、測定点数は、50点以上
が好ましく、100点以上がより好ましい。
A method for evaluating the CAAC ratio of the CAAC-OS film will be described below. Measurement points are selected at random, a transmission electron diffraction pattern is acquired, and the ratio of the number of measurement points where the diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed to the total number of measurement points is calculated. Here, the number of measurement points is preferably 50 or more, more preferably 100 or more.

無作為に測定点を選ぶ方法として、例えば直線状に照射位置をスキャンし、ある等間隔
の時間毎に回折パターンを取得すればよい。照射位置をスキャンすることによりCAAC
構造を有する領域と、その他の領域の境界などが確認できるため、好ましい。なお、nc
化率についても、同様に、無作為に測定点を選び、透過電子回折パターンを取得し、算出
することができる。
As a method of randomly selecting measurement points, for example, the irradiation position may be linearly scanned, and a diffraction pattern may be obtained at regular time intervals. CAAC by scanning the irradiation position
This is preferable because a boundary between a region having a structure and other regions can be confirmed. In addition, nc
Similarly, the conversion rate can be calculated by selecting measurement points at random and obtaining a transmission electron diffraction pattern.

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能
となる場合がある。
By using such a measurement method, structural analysis of an oxide semiconductor film having a plurality of structures may be possible.

本発明の一態様である酸化物半導体膜は、例えばnc比率とCAAC比率の和が80%
以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上
100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、9
9%以上100%以下であることがより好ましい。nc比率とCAAC比率の和を高める
ことにより、例えば明確な粒界の少ない酸化物半導体膜を実現することができる。明確な
粒界を少なくすることにより、例えば酸化物半導体膜のキャリア移動度を高めることがで
きる。
In the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio is 80%, for example.
It is preferably 90% or more, preferably 90% or more and 100% or less, preferably 95% or more and 100% or less, preferably 98% or more and 100% or less.
It is more preferably 9% or more and 100% or less. By increasing the sum of the nc ratio and the CAAC ratio, for example, an oxide semiconductor film with fewer distinct grain boundaries can be achieved. By reducing distinct grain boundaries, for example, carrier mobility of the oxide semiconductor film can be increased.

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2)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の一例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

nc-OS膜は、CAAC-OS膜に比べて比較的低い成膜温度でも形成できる場合が
ある。例えば、基板への加熱を用いずに形成できる場合がある。よって、nc-OS膜を
用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産性高く作製することができる場合がある
The nc-OS film can sometimes be formed even at a relatively low film formation temperature compared to the CAAC-OS film. For example, it may be formed without heating the substrate. Therefore, a semiconductor device including a transistor including an nc-OS film can be manufactured with high productivity in some cases.

また、nc-OS膜は、適度な酸素透過性を有するため、酸素を膜全体に拡散しやすく
、酸素欠損をより低減しやすい場合がある。よって、欠陥密度の低い酸化物半導体膜を実
現できる場合がある。よって、nc-OS膜を用いたトランジスタを有する半導体装置の
特性を向上させることができる場合がある。また、信頼性を高めることができる場合があ
る。
In addition, since the nc-OS film has moderate oxygen permeability, oxygen can easily diffuse throughout the film, and oxygen vacancies can be reduced more easily in some cases. Therefore, an oxide semiconductor film with a low defect density can be realized in some cases. Therefore, in some cases, the characteristics of a semiconductor device including a transistor using an nc-OS film can be improved. In addition, reliability can be improved in some cases.

ここで、nc-OS膜及びCAAC-OS膜は、ともに層状に重なった原子配列を有す
る。このような層状に重なった原子配列は、例えばTEM等を用いて観察することができ
る。
Here, both the nc-OS film and the CAAC-OS film have atomic arrangements in which layers are stacked. Such a layered atomic arrangement can be observed using, for example, a TEM.

ここで、nc-OS膜及びCAAC膜について、球面収差補正(Spherical
Aberration Corrector)機能を用いた透過電子顕微鏡法(TEM:
Transmission Electron Microscopy)によって得られ
る像(TEM像ともいう。)を観察する。なお、TEM観察による明視野像および回折パ
ターンの複合解析像を高分解能TEM像と呼ぶ。そして、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。なお、Cs補正高分解能TEM
像の取得は、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-ARM20
0Fなどによって行うことができる。
Here, for the nc-OS film and the CAAC film, spherical aberration correction (Spherical
Transmission electron microscopy (TEM:
An image (also referred to as a TEM image) obtained by Transmission Electron Microscopy is observed. A composite analysis image of a bright-field image and a diffraction pattern obtained by TEM observation is called a high-resolution TEM image. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly called a Cs-corrected high-resolution TEM image. In addition, Cs-corrected high-resolution TEM
Acquisition of the image, for example, atomic resolution analysis electron microscope JEM-ARM20 manufactured by JEOL Ltd.
It can be done by 0F or the like.

CAAC-OSおよびnc-OSにおいて、Cs補正高分解能断面TEM像をより詳細
に解析することで、結晶の大きさ及び配向性について調査する。以下では、nc-OSの
結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。結晶の大きさ及び配向性は、断面TEM像において
例えば20nm角以上の範囲についてペレットを抽出し、その大きさ及び向きを調査する
In CAAC-OS and nc-OS, the crystal size and orientation will be investigated by analyzing Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM images in more detail. Hereinafter, the crystal part of the nc-OS may be called a pellet. The size and orientation of crystals are determined by extracting pellets of, for example, a range of 20 nm square or more in a cross-sectional TEM image, and examining their size and orientation.

なお、図17(A)は、CAAC-OSのCs補正高分解能断面TEM像である。また
、図17(B)は、nc-OSのCs補正高分解能断面TEM像である。なお、左右の図
は同じ場所を観察したもので、右図にはペレットを示す補助線を引いている。
FIG. 17A is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS. FIG. 17B is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image of nc-OS. The left and right figures are observations of the same place, and the right figure has an auxiliary line indicating the pellet.

図18(A)は、DCスパッタリング法で成膜したCAAC-OSの断面TEM像であ
る。また、図18(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。
図18(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布に
する(図22(A)参照。)。ここで、図18(A)に示す矢印は、試料面に垂直な向き
を示す。また、図18(B)に示す白線の向きはペレットの向きを示し、白線の長さはペ
レットの大きさを示す。
FIG. 18A is a cross-sectional TEM image of CAAC-OS deposited by a DC sputtering method. Further, FIG. 18B is a Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image in which a part thereof is enlarged.
In FIG. 18(B), the number of pellets was counted and their sizes and orientations were given a frequency distribution (see FIG. 22(A)). Here, the arrows shown in FIG. 18A indicate directions perpendicular to the sample surface. The direction of the white line shown in FIG. 18(B) indicates the direction of the pellet, and the length of the white line indicates the size of the pellet.

図19(A)は、RFスパッタリング法で成膜したCAAC-OSの断面TEM像であ
る。また、図19(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。
図19(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布に
する(図22(B)参照。)。
FIG. 19A is a cross-sectional TEM image of CAAC-OS deposited by an RF sputtering method. FIG. 19B is a partially enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image.
In FIG. 19(B), the number of pellets was counted, and the size and orientation were made into a frequency distribution (see FIG. 22(B)).

図20(A)は、DCスパッタリング法で成膜したnc-OSの断面TEM像である。
また、図20(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図2
0(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする
(図22(C)参照。)。
FIG. 20A is a cross-sectional TEM image of an nc-OS deposited by a DC sputtering method.
FIG. 20B is a partially enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image. Figure 2
At 0(B), the number of pellets was counted and their sizes and orientations were frequency-distributed (see FIG. 22(C)).

図21(A)は、RFスパッタリング法で成膜したnc-OSの断面TEM像である。
また、図21(B)は、その一部を拡大したCs補正高分解能断面TEM像である。図2
1(B)において、ペレットの数を数え、その大きさおよび向きについて度数分布にする
(図22(D)参照。)。
FIG. 21A is a cross-sectional TEM image of an nc-OS deposited by an RF sputtering method.
FIG. 21B is a partially enlarged Cs-corrected high-resolution cross-sectional TEM image. Figure 2
In 1(B), the number of pellets was counted and the size and orientation of the pellets were frequency-distributed (see FIG. 22(D)).

下表は、図22をまとめた結果である。ここでペレットの向きは、試料面に対する角度
の絶対値を示す。
The table below summarizes the results of FIG. Here, the orientation of the pellet indicates the absolute value of the angle with respect to the sample plane.

Figure 2023078135000001
Figure 2023078135000001

nc-OSは、例えば好ましくは0.5nm以上3nm以下、より好ましくは1nm以
上3nm以下の大きさのペレットを有することが好ましい。また、nc-OSにおいて、
ペレットの向きは、RFスパッタリング法がDCスパッタリング法よりも試料面に垂直な
方向に配向していることがわかる。ここで、nc-OSのペレットの向きが試料面に対し
て0°以上30°未満である割合は、例えば0%以上70%以下が好ましく、30°以上
60°未満である割合は、例えば10%以上60%以下が好ましく、60°以上90°未
満である割合は、例えば0%以上60%以下が好ましい。nc-OSは、CAAC-OS
に比べてペレットの向きがランダムであることがわかる。
The nc-OS preferably has pellets with a size of, for example, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less, more preferably 1 nm or more and 3 nm or less. Also, in nc-OS,
It can be seen that the orientation of the pellets in the RF sputtering method is more perpendicular to the sample surface than in the DC sputtering method. Here, the ratio of the nc-OS pellet orientation with respect to the sample surface of 0° or more and less than 30° is preferably 0% or more and 70% or less, and the ratio of 30° or more and less than 60° is, for example, 10. % or more and 60% or less, and the ratio of 60° or more and less than 90° is preferably 0% or more and 60% or less, for example. nc-OS stands for CAAC-OS
It can be seen that the orientation of the pellets is random compared to .

このようなペレットを有する酸化物半導体膜は、例えば以下のような成膜モデルで説明
することができる。
An oxide semiconductor film having such pellets can be described by, for example, the following deposition model.

[成膜モデル]
以下では、nc-OSの成膜モデルについて説明する。
[Deposition model]
A film formation model of the nc-OS will be described below.

図24は、スパッタリング法によりnc-OSが成膜される様子を示した成膜室内の模
式図である。
FIG. 24 is a schematic diagram of the inside of the film forming chamber showing how the nc-OS is formed by the sputtering method.

ターゲット5130は、バッキングプレート上に接着されている。ターゲット5130
およびバッキングプレート下には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネット
によって、ターゲット5130上には磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成
膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
A target 5130 is glued onto the backing plate. target 5130
And under the backing plate, a plurality of magnets are arranged. A magnetic field is generated on the target 5130 by the plurality of magnets. A sputtering method that uses the magnetic field of a magnet to increase the deposition rate is called a magnetron sputtering method.

ターゲット5130は、多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。
なお、劈開面の詳細については後述する。
Target 5130 has a polycrystalline structure, and any crystal grain includes a cleaved plane.
Details of the cleavage plane will be described later.

基板5120は、ターゲット5130と向かい合うように配置しており、その距離d(
ターゲット-基板間距離(T-S間距離)ともいう。)は0.01m以上1m以下、好ま
しくは0.02m以上0.5m以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、
酸素、アルゴン、または酸素を50体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.
01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。こ
こで、ターゲット5130に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマ
が確認される。なお、ターゲット5130上の磁場によって、高密度プラズマ領域が形成
される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン5101が生
じる。イオン5101は、例えば、酸素の陽イオン(O)やアルゴンの陽イオン(Ar
)などである。
The substrate 5120 is arranged to face the target 5130, and the distance d (
It is also called target-substrate distance (TS distance). ) is 0.01 m or more and 1 m or less, preferably 0.02 m or more and 0.5 m or less. In the deposition chamber, most of the deposition gas (for example,
oxygen, argon, or a mixed gas containing 50% by volume or more of oxygen);
The pressure is controlled to 01 Pa or more and 100 Pa or less, preferably 0.1 Pa or more and 10 Pa or less. Here, by applying a voltage above a certain level to the target 5130, discharge is started and plasma is confirmed. Note that the magnetic field above target 5130 forms a high-density plasma region. In the high-density plasma region, ions 5101 are generated by ionizing the deposition gas. The ions 5101 are, for example, positive ions of oxygen (O + ) and positive ions of argon (Ar
+ ) and so on.

イオン5101は、電界によってターゲット5130側に加速され、やがてターゲット
5130と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であ
るペレット5100aおよびペレット5100bが剥離し、叩き出される。なお、ペレッ
ト5100aおよびペレット5100bは、イオン5101の衝突の衝撃によって、構造
に歪みが生じる場合がある。
The ions 5101 are accelerated toward the target 5130 by the electric field and eventually collide with the target 5130 . At this time, pellets 5100a and 5100b, which are flat plate-like or pellet-like sputtered particles, are peeled off from the cleaved surface and beaten out. Structural distortion may occur in the pellets 5100a and 5100b due to the impact of the ion 5101 collision.

ペレット5100aは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット
状のスパッタ粒子である。また、ペレット5100bは、六角形、例えば正六角形の平面
を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット5100aおよ
びペレット5100bなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット
と呼ぶ。ペレットの平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が2
個以上6個以下合わさった形状となる場合がある。例えば、正三角形が2個合わさった四
角形となる場合もある。
The pellet 5100a is a plate-like or pellet-like sputtered particle having a triangular plane, for example, an equilateral triangular plane. The pellet 5100b is a plate-like or pellet-like sputtered particle having a hexagonal plane, for example, a regular hexagonal plane. Flat plate-like or pellet-like sputtered particles such as the pellets 5100a and 5100b are collectively referred to as pellets. The planar shape of the pellets is not limited to triangles and hexagons.
In some cases, the shape may be a combination of 1 or more and 6 or less. For example, it may be a quadrilateral formed by combining two equilateral triangles.

ペレットは、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。ペレットの厚さは、均一に
することが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあ
るサイコロ状であるよりも好ましい。
The thickness of the pellet is determined according to the type of film forming gas. It is preferable to make the thickness of the pellet uniform. Further, it is preferable that the sputtered particles are in the form of pellets with no thickness, rather than in the form of dice with thickness.

ペレットは、プラズマを通過する際に電荷を受け取ることで、側面が負または正に帯電
する場合がある。ペレットは、側面に酸素原子を有し、当該酸素原子が負に帯電する可能
性がある。
The pellets may become negatively or positively charged on the sides by receiving a charge as they pass through the plasma. The pellet has oxygen atoms on its sides, which can be negatively charged.

図24に示すように、例えば、ペレットは、プラズマ中を凧のように飛翔し、ひらひら
と基板5120上まで舞い上がっていく。ペレットは電荷を帯びているため、ほかのペレ
ットが既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板5120の上面で
は、基板5120の上面に平行な向きの磁場が生じている。また、基板5120およびタ
ーゲット5130間には、電位差が与えられているため、基板5120からターゲット5
130に向けて電流が流れている。したがって、ペレットは、基板5120の上面におい
て、磁場および電流の作用によって、力(ローレンツ力)を受ける。なお、ペレットに与
える力を大きくするためには、基板5120の上面において、基板5120の上面に平行
な向きの磁場が10G以上、好ましくは20G以上、さらに好ましくは30G以上、より
好ましくは50G以上となる領域を設けるとよい。または、基板5120の上面において
、基板5120の上面に平行な向きの磁場が、基板5120の上面に垂直な向きの磁場の
1.5倍以上、好ましくは2倍以上、さらに好ましくは3倍以上、より好ましくは5倍以
上となる領域を設けるとよい。
As shown in FIG. 24, for example, the pellet flies in the plasma like a kite and flutters up onto the substrate 5120 . Because the pellets carry an electric charge, a repulsive force is generated when approaching an area where other pellets are already deposited. Here, a magnetic field parallel to the upper surface of the substrate 5120 is generated on the upper surface of the substrate 5120 . In addition, since a potential difference is applied between the substrate 5120 and the target 5130, the voltage from the substrate 5120 to the target 5130 is increased.
Current is flowing towards 130 . Therefore, the pellet experiences a force (Lorentz force) on the upper surface of the substrate 5120 due to the action of the magnetic field and current. In order to increase the force applied to the pellet, the magnetic field parallel to the top surface of the substrate 5120 should be 10 G or more, preferably 20 G or more, more preferably 30 G or more, and more preferably 50 G or more. It is preferable to provide an area where Alternatively, on the upper surface of the substrate 5120, the magnetic field in the direction parallel to the upper surface of the substrate 5120 is 1.5 times or more, preferably 2 times or more, more preferably 3 times or more than the magnetic field in the direction perpendicular to the upper surface of the substrate 5120, More preferably, a region that is five times or more should be provided.

以上のようなモデルにより、ペレットが基板5120上に堆積していくと考えられる。
したがって、エピタキシャル成長とは異なり、被形成面が結晶構造を有さない場合におい
ても、nc-OSの成膜が可能であることがわかる。例えば、基板5120の上面(被形
成面)の構造が非晶質構造であっても、nc-OSを成膜することは可能である。
It is considered that the pellets are deposited on the substrate 5120 according to the above model.
Therefore, unlike epitaxial growth, it can be seen that the nc-OS can be deposited even when the formation surface does not have a crystal structure. For example, the nc-OS can be deposited even if the structure of the top surface (formation surface) of the substrate 5120 is an amorphous structure.

このようなモデルによってnc-OSが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペ
レット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、
基板5120上に向けるスパッタ粒子の面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にで
きない場合がある。
Since the nc-OS is formed according to such a model, it is preferable that the sputtered particles are in the form of thin pellets. When the sputtered particles are thick and dice-shaped,
In some cases, the surface of the sputtered particles directed onto the substrate 5120 is not constant, and the thickness and crystal orientation cannot be made uniform.

また、基板5120が加熱されている場合には、ペレットと基板5120との間で摩擦
などの抵抗がより小さい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面
を滑空するように移動する。ペレットの移動は、ペレットの平板面を基板5120に向け
た状態で起こる。その後、既に堆積しているほかのペレット5100の側面まで到達する
と、側面同士が結合し、CAAC-OS膜を得る。
Further, when the substrate 5120 is heated, the resistance such as friction between the pellet and the substrate 5120 is reduced. As a result, the pellet glides over the top surface of the substrate 5120 . Movement of the pellet occurs with the flat side of the pellet facing the substrate 5120 . After that, when the side surfaces of the already deposited pellet 5100 are reached, the side surfaces are joined together to obtain a CAAC-OS film.

基板5120は加熱されていない場合には、ペレットと基板5120との間で摩擦など
の抵抗がより大きい状態となっている。その結果、ペレットは、基板5120の上面を滑
空するように移動することが難しく、不規則に降り積もっていくことでnc-OSを得る
ことができる。
When the substrate 5120 is not heated, there is more resistance, such as friction, between the pellet and the substrate 5120 . As a result, it is difficult for the pellets to glide over the upper surface of the substrate 5120, and the nc-OS can be obtained by accumulating irregularly.

CAAC-OSは、基板5120を加熱して成膜するのに対し、nc-OSは、基板51
20の加熱を行わなくても成膜が可能である。
The CAAC-OS heats the substrate 5120 to form a film, whereas the nc-OS heats the substrate 5120 to form a film.
It is possible to form a film without heating 20 .

また、例えば図25に示すように、チャンバー内の雰囲気を好ましくは室温以上500
℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱してもよい。雰囲気の加熱には
、例えばハロゲンランプ等のランプ5140を用いればよい。雰囲気の加熱により、例え
ばチャンバー内を飛翔するペレットが加熱され、欠陥が減少する可能性がある。また、ペ
レットサイズが増加する可能性がある。また、雰囲気の加熱により、例えばチャンバー内
の水分が蒸発しやすくなり、真空度をより高めることができる。
Also, as shown in FIG. 25, for example, the atmosphere in the chamber is preferably 500°C above room temperature.
C. or less, more preferably 200.degree. C. or higher and 400.degree. C. or lower. A lamp 5140 such as a halogen lamp may be used for heating the atmosphere. Heating the atmosphere heats pellets flying in the chamber, for example, and can reduce defects. Also, the pellet size may increase. In addition, the heating of the atmosphere makes it easier for moisture in the chamber to evaporate, and the degree of vacuum can be further increased.

[劈開面]
以下では、nc-OSの成膜モデルにおいて記載のターゲットの劈開面について説明す
る。
[Cleavage plane]
The cleavage plane of the target described in the nc-OS film formation model will be described below.

まずは、ターゲットの劈開面について図10を用いて説明する。図10に、InGaZ
nOの結晶の構造を示す。なお、図10(A)は、c軸を上向きとし、b軸に平行な方
向からInGaZnOの結晶を観察した場合の構造を示す。また、図10(B)は、c
軸に平行な方向からInGaZnOの結晶を観察した場合の構造を示す。
First, the cleavage plane of the target will be explained with reference to FIG. InGaZ in FIG.
The structure of the crystal of nO 4 is shown. Note that FIG. 10A shows the structure of an InGaZnO 4 crystal observed from a direction parallel to the b-axis with the c-axis directed upward. Moreover, FIG. 10(B) shows c
The structure of an InGaZnO 4 crystal observed from the direction parallel to the axis is shown.

InGaZnOの結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算
により算出する。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プ
ログラム(CASTEP)を用いる。なお、擬ポテンシャルには、ウルトラソフト型の擬
ポテンシャルを用いる。また、汎関数には、GGA PBEを用いる。また、カットオフ
エネルギーは400eVとする。
The energy required for cleavage on each crystal plane of the InGaZnO 4 crystal is calculated by first-principles calculation. A density functional program (CASTEP) using a pseudopotential and a plane wave basis is used for the calculation. As the pseudopotential, an ultrasoft pseudopotential is used. Moreover, GGA PBE is used for the functional. Also, the cutoff energy is assumed to be 400 eV.

初期状態における構造のエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導
出する。また、各面で劈開後の構造のエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子
配置の構造最適化を行った後に導出する。
The energy of the structure in the initial state is derived after optimizing the structure including the cell size. Also, the energy of the structure after cleavage on each plane is derived after structural optimization of the atomic arrangement with the cell size fixed.

図10に示したInGaZnOの結晶の構造をもとに、第1の面、第2の面、第3の
面、第4の面のいずれかで劈開した構造を作製し、セルサイズを固定した構造最適化計算
を行う。ここで、第1の面は、Ga-Zn-O層とIn-O層との間の結晶面であり、(
001)面(またはab面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第2の面は
、Ga-Zn-O層とGa-Zn-O層との間の結晶面であり、(001)面(またはa
b面)に平行な結晶面である(図10(A)参照。)。第3の面は、(110)面に平行
な結晶面である(図10(B)参照。)。第4の面は、(100)面(またはbc面)に
平行な結晶面である(図10(B)参照。)。
Based on the crystal structure of InGaZnO 4 shown in FIG. 10, a structure was cleaved on any of the first, second, third, and fourth faces, and the cell size was fixed. Then, the structural optimization calculation is performed. Here, the first plane is a crystal plane between the Ga--Zn--O layer and the In--O layer, (
001) plane (or ab plane) (see FIG. 10A). The second plane is the crystal plane between the Ga--Zn--O layers and the (001) plane (or a
b plane) (see FIG. 10A). The third plane is a crystal plane parallel to the (110) plane (see FIG. 10B). The fourth plane is a crystal plane parallel to the (100) plane (or bc plane) (see FIG. 10B).

以上のような条件で、各面で劈開後の構造のエネルギーを算出する。次に、劈開後の構
造のエネルギーと初期状態における構造のエネルギーとの差を、劈開面の面積で除すこと
で、各面における劈開しやすさの尺度である劈開エネルギーを算出する。なお、構造のエ
ネルギーは、構造に含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原
子-電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。
Under the above conditions, the energy of the structure after cleavage is calculated for each plane. Next, the difference between the energy of the structure after cleavage and the energy of the structure in the initial state is divided by the area of the cleavage plane to calculate the cleavage energy, which is a measure of the easiness of cleavage on each plane. The energy of the structure is the energy in consideration of the kinetic energy of electrons and interactions between atoms, between atoms and electrons, and between electrons, with respect to atoms and electrons included in the structure.

計算の結果、第1の面の劈開エネルギーは2.60J/m、第2の面の劈開エネルギ
ーは0.68J/m、第3の面の劈開エネルギーは2.18J/m、第4の面の劈開
エネルギーは2.12J/mであることがわかった(下表参照。)。
As a result of calculation, the cleavage energy of the first plane is 2.60 J/m 2 , the cleavage energy of the second plane is 0.68 J/m 2 , the cleavage energy of the third plane is 2.18 J/m 2 , and the cleavage energy of the third plane is 2.18 J/m 2 . The cleavage energy of the plane of 4 was found to be 2.12 J/m 2 (see table below).

Figure 2023078135000002
Figure 2023078135000002

この計算により、図10に示したInGaZnOの結晶の構造において、第2の面に
おける劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ga-Zn-O層とGa-Zn-O層との
間が最も劈開しやすい面(劈開面)であることがわかる。したがって、本明細書において
、劈開面と記載する場合、最も劈開しやすい面である第2の面のことを示す。
According to this calculation, in the InGaZnO 4 crystal structure shown in FIG. 10, the cleavage energy in the second plane is the lowest. That is, it can be seen that the interface between the Ga--Zn--O layers and the Ga--Zn--O layer is the most easily cleaved plane (cleavage plane). Therefore, in this specification, the term "cleavage plane" refers to the second plane, which is the most easily cleaved plane.

Ga-Zn-O層とGa-Zn-O層との間である第2の面に劈開面を有するため、図
10(A)に示すInGaZnOの結晶は、二つの第2の面と等価な面で分離すること
ができる。したがって、ターゲットにイオンなどを衝突させる場合、もっとも劈開エネル
ギーの低い面で劈開したウェハース状のユニット(我々はこれをペレットと呼ぶ。)が最
小単位となって飛び出してくると考えられる。その場合、InGaZnOのペレットは
、Ga-Zn-O層、In-O層およびGa-Zn-O層の3層となる。
The crystal of InGaZnO 4 shown in FIG. 10(A) is equivalent to two second planes because it has a cleavage plane on the second plane between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer. can be separated in terms of Therefore, when the target is bombarded with ions or the like, wafer-like units cleaved on the plane with the lowest cleavage energy (we call them pellets) are thought to come out as the smallest units. In that case, the InGaZnO 4 pellet has three layers of a Ga--Zn--O layer, an In--O layer and a Ga--Zn--O layer.

また、第1の面(Ga-Zn-O層とIn-O層との間の結晶面であり、(001)面
(またはab面)に平行な結晶面)よりも、第3の面(110)面に平行な結晶面)、第
4の面((100)面(またはbc面)に平行な結晶面)の劈開エネルギーが低いことか
ら、ペレットの平面形状は三角形状または六角形状が多いことが示唆される。
In addition, the third plane (a crystal plane that is a crystal plane between the Ga—Zn—O layer and the In—O layer and is parallel to the (001) plane (or ab plane)) is preferred over the first plane ( 110) plane) and the fourth plane (crystal plane parallel to the (100) plane (or bc plane)) have low cleavage energies, so the planar shape of the pellet is often triangular or hexagonal. is suggested.

[膜密度]
次に、In-M-Zn酸化物膜の密度を評価した。ターゲットとしてIn:Ga:Zn
=1:1:1の多結晶のIn-Ga-Zn酸化物を用い、DCスパッタリング法でnc-
OSを成膜した。圧力は0.4Paとし、成膜温度は室温、電源電力は100W、成膜ガ
スとしてアルゴン及び酸素を用い、それぞれの流量はアルゴンを98sccm、酸素を2
sccmとした。得られたIn-Ga-Zn酸化物の密度は、6.1g/cmであった
。ここで、非特許文献2より、単結晶のInGaZnOの密度は6.357g/cm
である。また、JCPDSカード、No.00-038-1097に記載されている通り
、単結晶のInGaZnOの密度は6.494g/cmであることが知られてい
る。よって、得られたnc-OS膜は、高い密度を有する優れた膜であることがわかる。
[Film density]
Next, the density of the In--M--Zn oxide film was evaluated. In:Ga:Zn as a target
= 1:1:1 polycrystalline In-Ga-Zn oxide was used, and nc-
An OS was deposited. The pressure is 0.4 Pa, the film formation temperature is room temperature, the power supply is 100 W, and argon and oxygen are used as film formation gases.
sccm. The density of the obtained In--Ga--Zn oxide was 6.1 g/cm 3 . Here, according to Non-Patent Document 2, the density of single crystal InGaZnO 4 is 6.357 g/cm 3
is. In addition, JCPDS card, No. 00-038-1097, the density of single crystal In 2 Ga 2 ZnO 7 is known to be 6.494 g/cm 3 . Therefore, it is found that the obtained nc-OS film is an excellent film having a high density.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜の密度は、例えば概略
同じ原子数比を有する単結晶の密度の85%以上が好ましく、90%以上がより好ましく
、95%以上がさらに好ましい。
The density of the In-M-Zn oxide film, which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention, is preferably 85% or more, more preferably 90% or more, of the density of a single crystal having approximately the same atomic ratio, for example. More preferably 95% or more.

または、元素Mがガリウムの場合に、本発明の一態様である酸化物半導体膜の密度は、
例えば5.7g/cm以上6.49g/cm以下が好ましく、5.75g/cm
上6.49g/cm以下が好ましく、5.8g/cm以上6.33g/cm以下が
より好ましく、5.85g/cm以上6.33g/cm以下がさらに好ましい。
Alternatively, when the element M is gallium, the density of the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is
For example, 5.7 g/cm 3 or more and 6.49 g/cm 3 or less is preferable, 5.75 g/cm 3 or more and 6.49 g/cm 3 or less is preferable, and 5.8 g/cm 3 or more and 6.33 g/cm 3 or less is preferable. It is more preferably 5.85 g/cm 3 or more and 6.33 g/cm 3 or less.

ここで、概略同じ原子数比とは、例えば、互いの有する原子数比の差が10%以内であ
ることを指す。
Here, the substantially same atomic number ratio means that the difference between the atomic number ratios they have is within 10%, for example.

ここで、例えば単結晶の密度は、異なる原子数比を有する、2つ以上のIn-M-Zn
酸化物膜の密度から見積もってもよい。ここで原子数比がIn:M:Zn=1:1:1で
ある単結晶の密度をD、原子数比がIn:M:Zn=2:2:1である単結晶の密度を
とする。インジウム、元素M及び亜鉛の原子数比が1:1:0.8であるIn-M-
Zn酸化物膜の密度は、DとDの間の値を取ることが予測される。よって単結晶の密
度として、例えばDとDの平均値を算出して参照してもよいし、D、Dいずれか
の値、例えば原子数比のより近い値を参照してもよい。DとDを用いて平均値を算出
する際には、例えば0.6×D+0.4×Dとすればよい。原子数比がIn:M:Z
n=A:B:Cである単結晶の密度をDα、原子数比がIn:M:Zn=D:E:Fであ
る単結晶の密度をDβとする。原子数比がIn:M:Zn=X:Y:Zである単結晶の密
度は、例えば以下のように算出すればよい。
Here, for example, the density of a single crystal is two or more In-M-Zn having different atomic ratios.
It may be estimated from the density of the oxide film. Here, D 1 is the density of a single crystal with an atomic ratio of In:M:Zn=1:1:1, and D is the density of a single crystal with an atomic ratio of In:M:Zn=2:2:1. 2 . In-M- in which the atomic ratio of indium, element M and zinc is 1:1:0.8
The density of Zn oxide films is expected to take values between D1 and D2 . Therefore, as the density of the single crystal, for example, the average value of D 1 and D 2 may be calculated and referred to, or the value of either D 1 or D 2 , such as the closer atomic ratio, may be referred to. good. When calculating the average using D 1 and D 2 , for example, 0.6×D 1 +0.4×D 2 may be used. The atomic number ratio is In:M:Z
Let D α be the density of a single crystal with n=A:B:C, and D β be the density of a single crystal with an atomic ratio of In:M:Zn=D:E:F. The density of a single crystal with an atomic ratio of In:M:Zn=X:Y:Z may be calculated, for example, as follows.

まず、(αA+βD):(αB+βE):(αC+βF)=X:Y:Zとなるようにα
及びβを求める。次に、求めたα及びβを用い、単結晶の密度を{α/(α+β)}Dα
+{β/(α+β)}Dβとして算出すればよい。
First, (αA + βD): (αB + βE): (αC + βF) = X: Y: Z
and β. Next, using the obtained α and β, the density of the single crystal is {α / (α + β)} D α
+{β/(α+β)}D β may be calculated.

次に、nc-OS膜の作製方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for manufacturing an nc-OS film is described.

酸化物半導体膜を成膜するための一般的な手法としては、例えばスパッタリング法、化
学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)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)、真空蒸着法またはパルスレー
ザー堆積(PLD)法などが挙げられる。
General methods for forming an oxide semiconductor film include, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (a metal organic chemical deposition (MOCVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or a plasma chemical vapor deposition (ALD) method. vapor phase deposition (PECVD) method), vacuum deposition method or pulsed laser deposition (PLD) method.

nc-OS膜は、スパッタリング法を用いて形成することが好ましい。スパッタリング
法に用いるターゲットとして、In-M-Zn酸化物を用いることができる。
The nc-OS film is preferably formed using a sputtering method. In--M--Zn oxide can be used as a target for the sputtering method.

またターゲットは多結晶のIn-M-Zn酸化物を有することが好ましい。例えば、多
結晶のIn-M-Zn酸化物を有するターゲットを用いた場合には、ターゲットが劈開性
を有し、nc-OS膜を形成しやすい可能性があり、より好ましい。
Also, the target preferably comprises polycrystalline In--M--Zn oxide. For example, it is more preferable to use a target containing a polycrystalline In--M--Zn oxide because the target has cleavability and may facilitate formation of the nc-OS film.

ターゲットとして、酸化インジウム、元素Mを有する酸化物、及び酸化亜鉛の混合物を
用いてIn-M-Zn酸化物を作製できる場合があるが、多結晶のIn-M-Zn酸化物
を有するターゲットを用いることが好ましい。
In--M--Zn oxide may be produced using a mixture of indium oxide, an oxide having the element M, and zinc oxide as targets, but a target with polycrystalline In--M--Zn oxide is preferred. It is preferable to use

また、nc-OS膜は、室温程度で形成できる場合があり、好ましい。例えば基板への
加熱を行わなくても形成できる場合があり、好ましい。また、例えばチャンバー内の雰囲
気を好ましくは室温以上500℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱
してもよい。
In addition, the nc-OS film can be formed at about room temperature in some cases, which is preferable. For example, it can be formed without heating the substrate in some cases, which is preferable. Further, for example, the atmosphere in the chamber may be heated to preferably room temperature or higher and 500° C. or lower, more preferably 200° C. or higher and 400° C. or lower.

[原子数の比について]
ここで本発明の一態様である酸化物半導体膜として、例えばIn-M-Zn酸化物膜を
用いることが好ましい。In-M-Zn酸化物が有するIn,M及びZnの原子数比をI
n:M:Zn=x:y:zとする。
[Regarding atomic number ratio]
Here, for example, an In--M--Zn oxide film is preferably used as the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention. The atomic number ratio of In, M and Zn in the In-M-Zn oxide is defined as I
Let n:M:Zn=x:y:z.

本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜は、例えばインジウム
の比率を高めることが好ましい。
An In--M--Zn oxide film, which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention, preferably has an increased proportion of indium, for example.

また、酸化物半導体膜の粒界は、少ないほど好ましい。粒界の少ない非単結晶酸化物半
導体膜として、例えばnc-OS膜やCAAC-OS膜が挙げられる。また、酸化物半導
体膜は、nc-OS膜とCAAC-OS膜の両方を有してもよい。
Further, the number of grain boundaries in the oxide semiconductor film is preferably as small as possible. Examples of non-single-crystal oxide semiconductor films with few grain boundaries include an nc-OS film and a CAAC-OS film. Further, the oxide semiconductor film may include both an nc-OS film and a CAAC-OS film.

また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、ナノビーム電子回折を行った場合に、
nc-OS膜の回折パターンが観測される領域(nc構造)を有することが好ましい。ま
た、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc-OS膜の回折パターンが観測される
領域と、CAAC-OS膜の回折パターンが観測される領域(CAAC構造)と、を有し
てもよい。
Further, when the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is subjected to nanobeam electron diffraction,
It preferably has a region (nc structure) where the diffraction pattern of the nc-OS film is observed. Further, the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention includes a region where the diffraction pattern of the nc-OS film is observed and a region where the diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed (CAAC structure). may

また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、高いnc比率を有することが好ましい
。例えば、nc比率は30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより
好ましい。また、本発明の一態様である酸化物半導体膜は、nc比率とCAAC比率の和
が80%以上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、9
5%以上100%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ま
しく、99%以上100%以下であることがより好ましい。
Further, the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention preferably has a high nc ratio. For example, the nc ratio is preferably 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 80% or more. Further, in the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio is preferably 80% or more, preferably 90% or more and 100% or less.
It is preferably 5% or more and 100% or less, preferably 98% or more and 100% or less, and more preferably 99% or more and 100% or less.

本発明の一態様である酸化物半導体膜は、複数の膜を積層してもよい。また複数の膜の
それぞれのnc比率及びCAAC比率が異なってもよい。また、積層された複数の膜のう
ち、少なくとも一層の膜は、高いnc比率を有することが好ましい。例えば、nc比率は
30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、積層
された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は、nc比率とCAAC比率の和が80%以
上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上1
00%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99
%以上100%以下であることがより好ましい。
A plurality of films may be stacked as the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention. Also, the respective nc ratios and CAAC ratios of the plurality of films may be different. Moreover, it is preferable that at least one layer of the laminated films has a high nc ratio. For example, the nc ratio is preferably 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 80% or more. In addition, at least one of the laminated films preferably has a sum of the nc ratio and the CAAC ratio of 80% or more, preferably 90% or more and 100% or less, and 95% or more and 1
00% or less, preferably 98% or more and 100% or less, 99%
% or more and 100% or less.

図6に示したように、In、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350
℃で焼成した場合には、亜鉛の比率を大きくすることにより固溶域が広くなることが非特
許文献1に記載されている。ここで、In-Ga-Zn酸化物の原子数比を固溶域をとり
得る範囲とすることにより、本発明の一態様の酸化物半導体膜のCAAC比率がより高ま
る場合がある。よって、亜鉛の比率を小さくすることにより、本発明の一態様の酸化物半
導体膜のnc比率をより高くできる場合がある。酸化物半導体膜の有するインジウム、元
素M及び亜鉛の原子数比をインジウム:元素M:亜鉛=x:y:zとする。例えば、zに
対するx+yの割合、すなわち(x+y)/zを大きくすることにより、nc比率をより
高めることができる場合がある。具体的には、例えば(x+y)>zが好ましく、(x+
y)≧1.5zが好ましく、(x+y)≧2zが好ましい。
As shown in FIG. 6, powders of In 2 O 3 , Ga 2 O 3 and ZnO are mixed and 1350
Non-Patent Document 1 describes that the solid solution region is widened by increasing the proportion of zinc in the case of firing at .degree. Here, the CAAC ratio of the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention may be increased by setting the atomic ratio of the In—Ga—Zn oxide to a range in which a solid solution region can be obtained. Therefore, by reducing the zinc ratio, the nc ratio of the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention can be increased in some cases. The atomic ratio of indium, element M, and zinc in the oxide semiconductor film is set to indium:element M:zinc=x:y:z. For example, increasing the ratio of x+y to z, ie, (x+y)/z, may result in a higher nc ratio. Specifically, for example, (x+y)>z is preferable, and (x+
y)≧1.5z, preferably (x+y)≧2z.

また、スピネル構造の結晶がCAAC-OS膜やnc-OS膜と混在することにより、
明確な粒界、または境界部を形成する場合がある。よって、スピネル構造の結晶がより形
成されやすい原子数比から遠ざけることが好ましい。
In addition, by mixing crystals with a spinel structure with the CAAC-OS film and the nc-OS film,
A distinct grain boundary or boundary may be formed. Therefore, it is preferable to keep away from the atomic number ratio that facilitates the formation of crystals with a spinel structure.

よって、本発明の一態様の酸化物半導体膜であるIn-M-Zn酸化物膜が有するIn
,元素M及び亜鉛の原子数比x、y及びzは図4(A)に示す領域13内の原子数の比を
有することが好ましく、図4(B)に示す領域14の原子数の比を有することがより好ま
しい。ここで領域13は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標R
(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の座
標S(x:y:z=1:0:1)と、第5の座標T(x:y:z=8:0:1)と、第6
の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域
内である。なお、領域13は、6つの点を結ぶ線分を含む。また領域13には全ての座標
を含む。また、領域14は、第1の座標K(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標
R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標V(x:y:z=1:2:3)と、第4の
座標W(x:y:z=7:1:8)と、第5の座標X(x:y:z=7:1:1)と、第
6の座標U(x:y:z=6:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領
域内である。なお、領域14は6つの点を結ぶ線分を含む。また領域14には全ての座標
を含む。
Therefore, In—M—Zn oxide film which is an oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention contains In
, the atomic number ratios x, y and z of the element M and zinc preferably have the atomic number ratio in the region 13 shown in FIG. 4(A), and the atomic number ratio in the region 14 shown in FIG. It is more preferable to have Here, the area 13 has a first coordinate K (x:y:z=8:14:7) and a second coordinate R
(x: y: z = 2: 4: 3), a third coordinate V (x: y: z = 1: 2: 3), and a fourth coordinate S (x: y: z = 1: 0 : 1), fifth coordinates T (x:y:z=8:0:1), and sixth
and the first coordinate K are connected by line segments in order. Note that the region 13 includes line segments connecting the six points. Also, the area 13 contains all the coordinates. Also, the area 14 has a first coordinate K (x:y:z=8:14:7), a second coordinate R (x:y:z=2:4:3), and a third coordinate V (x: y: z = 1: 2: 3), a fourth coordinate W (x: y: z = 7: 1: 8), and a fifth coordinate X (x: y: z = 7: 1:1), the sixth coordinate U (x:y:z=6:2:1), and the first coordinate K are connected in order by line segments. Note that the region 14 includes line segments connecting the six points. Also, the area 14 contains all the coordinates.

また、酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、得られる膜の原子数比が、
ターゲットの原子数比からずれる場合がある。特に亜鉛は、得られる膜の亜鉛の比率がタ
ーゲットの亜鉛の比率よりも小さくなる場合がある。具体的には、得られる膜の亜鉛の比
率は、例えばターゲットの亜鉛の比率の40atomic%以上90atomic%程度
以下となる場合がある。
Further, when an oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, the atomic ratio of the obtained film is
It may deviate from the target atomic number ratio. Especially for zinc, the ratio of zinc in the resulting film may be smaller than the ratio of zinc in the target. Specifically, the ratio of zinc in the obtained film may be, for example, approximately 40 atomic % or more and 90 atomic % or less of the ratio of zinc in the target.

ここで、In-Ga-Zn酸化物をスパッタリング法で成膜する場合に、用いるターゲ
ットの原子数比と得られる膜の原子数比との関係を調べた。
Here, when forming an In--Ga--Zn oxide film by a sputtering method, the relationship between the atomic ratio of the target used and the atomic ratio of the resulting film was investigated.

成膜条件として、成膜ガスにアルゴン及び酸素を用い、酸素流量比を33%とした。こ
こで酸素流量比とは、酸素流量÷(酸素流量+アルゴン流量)×100[%]で表される
量である。また、圧力は0.4Paから0.7Paの範囲とし、基板温度を200℃乃至
300℃、電源電力を0.5kW(DC)とした。
As film formation conditions, argon and oxygen were used as film formation gases, and the oxygen flow ratio was 33%. Here, the oxygen flow ratio is an amount represented by oxygen flow rate/(oxygen flow rate+argon flow rate)×100[%]. Further, the pressure was in the range of 0.4 Pa to 0.7 Pa, the substrate temperature was 200° C. to 300° C., and the power was 0.5 kW (DC).

図23に、ターゲットの2つの元素に着目した際の原子数比の比の値と、亜鉛の残留率
との関係を示す。図中の数字は、ターゲットのIn:Ga:Znの原子数比を表す。ここ
で亜鉛の残留率について説明する。得られた膜の原子数比における、亜鉛の項の値を、膜
のインジウム、ガリウム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Film)とする。ま
た、ターゲットの原子数比における、亜鉛の項の値を、ターゲットのインジウム、ガリウ
ム及び亜鉛の項の値の和で割った値をZn(Target)とする。ここで、亜鉛の残留
率を、A=Zn(Film)÷Zn(Target)×100[%]で表される値と定義
する。
FIG. 23 shows the relationship between the value of the atomic number ratio and the zinc residual ratio when focusing on two elements of the target. The numbers in the figure represent the atomic ratio of In:Ga:Zn in the target. Here, the zinc residual rate will be explained. A value obtained by dividing the value of the zinc term in the obtained atomic ratio of the film by the sum of the values of the terms of indium, gallium and zinc in the film is defined as Zn(Film). Zn(Target) is obtained by dividing the value of the zinc term in the atomic number ratio of the target by the sum of the values of the terms of indium, gallium, and zinc of the target. Here, the zinc residual rate is defined as a value represented by A=Zn(Film)÷Zn(Target)×100[%].

また、用いるIn-Ga-Zn酸化物ターゲットのインジウム、ガリウム及び亜鉛の原
子数比をa:b:cと表す。
In addition, the atomic ratio of indium, gallium, and zinc in the In--Ga--Zn oxide target to be used is expressed as a:b:c.

図23(A)は横軸にターゲットのガリウムに対する亜鉛の比の値(c/b)を、図2
3(B)は横軸にターゲットのインジウムの原子数比に対するガリウムの比の値(b/a
)を、図23(C)は横軸にターゲットのインジウムに対する亜鉛の比の値(c/a)を
それぞれ示している。またそれぞれの縦軸は亜鉛の残留率Aを示す。
In FIG. 23(A), the horizontal axis represents the ratio of zinc to gallium of the target (c/b), and the
In 3(B), the horizontal axis represents the ratio of gallium to indium in the target (b/a
), and the horizontal axis of FIG. 23(C) shows the ratio (c/a) of zinc to indium of the target. In addition, each vertical axis indicates the zinc residual ratio A.

ここで図23より、スパッタリング法により得られる膜の亜鉛の残留率は、おおよそ5
0%以上90%以下であることがわかる。また、インジウムおよびガリウムは、亜鉛と比
較してターゲットの原子数比からは大きく変化しないといえる。また、ターゲットのガリ
ウムに対する亜鉛の比の値(c/b)が例えば1の場合には亜鉛の残留率Aは約66%、
2の場合には約74%、3の場合は約83%である。
Here, from FIG. 23, the zinc residual rate of the film obtained by the sputtering method is approximately 5%.
It can be seen that it is 0% or more and 90% or less. Also, it can be said that indium and gallium do not change greatly from the atomic number ratio of the target compared to zinc. Further, when the ratio of zinc to gallium in the target (c/b) is 1, for example, the zinc residual ratio A is about 66%,
In the case of 2, it is about 74%, and in the case of 3, it is about 83%.

また図23(A)より、ターゲットのガリウムに対する亜鉛の比の値(c/b)と、亜
鉛の残留率との間には良好な相関があることがわかる。すなわち、ガリウムに対して亜鉛
が少ない方が、残留率はより低くなっている。
Further, from FIG. 23A, it can be seen that there is a good correlation between the ratio of zinc to gallium in the target (c/b) and the zinc residual ratio. That is, the smaller the amount of zinc relative to the amount of gallium, the lower the residual rate.

以上を鑑みて、スパッタリング法を用いて図4(A)に示す領域13の酸化物半導体膜
を得るためには、例えば目的の膜の亜鉛の比の値に対し、ターゲットの亜鉛の比の値を好
ましくは1.7倍以上、より好ましくは1.5倍以上とすればよい。よってターゲットの
インジウム、ガリウム及び亜鉛は図5に示す領域15の原子数比を有することが好ましい
。ここで領域15は、第1の座標K(a:b:c=8:14:7)と、第2の座標R(a
:b:c=2:4:3)と、第3の座標Y(a:b:c=1:2:5.1)と、第4の座
標Z(a:b:c=1:0:1.7)と、第5の座標T(a:b:c=8:0:1)と、
第6の座標U(a:b:c=6:2:1)と、前記第1の座標Kとを、順番に線分で結ん
だ領域内である。なお、領域15は、6つの点を結んだ線分を含む。領域15には全ての
座標を含む。
In view of the above, in order to obtain the oxide semiconductor film in the region 13 illustrated in FIG. is preferably 1.7 times or more, more preferably 1.5 times or more. Therefore, the target indium, gallium and zinc preferably have the atomic ratio of region 15 shown in FIG. Here, the area 15 has a first coordinate K (a:b:c=8:14:7) and a second coordinate R (a
:b:c=2:4:3), the third coordinate Y (a:b:c=1:2:5.1), and the fourth coordinate Z (a:b:c=1:0 : 1.7), a fifth coordinate T (a:b:c=8:0:1),
It is within an area in which the sixth coordinate U (a:b:c=6:2:1) and the first coordinate K are connected in order by line segments. Note that the region 15 includes line segments connecting the six points. Area 15 contains all the coordinates.

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3)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例
について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a transistor including an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention will be described.

[トランジスタの例1]
酸化物半導体膜を用いたトランジスタの一例について、図12を用いて説明する。
[Transistor example 1]
An example of a transistor including an oxide semiconductor film is described with reference to FIGS.

図12(A)はトランジスタ100の上面図を示す。また、図12(B)は図12(A
)に示す一点鎖線X-X’における断面を、図12(C)は一点鎖線Y-Y’における断
面を示す。図12に示すトランジスタ100は、基板50と、基板50の上面に接する絶
縁膜51と、絶縁膜51の上面に接する絶縁膜114と、絶縁膜114の上面に接する半
導体層101と、導電層104a及び導電層104bと、半導体層101上にゲート絶縁
膜102と、ゲート絶縁膜102を介して半導体層101と重なるゲート電極103と、
を有する。またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112及び絶縁膜113が設けられ
ている。また、トランジスタ100は、導電層105を有してもよい。また、基板50と
絶縁膜114の間に、絶縁膜を設けなくてもよい。
FIG. 12A shows a top view of the transistor 100. FIG. Moreover, FIG. 12(B) is the
), and FIG. 12C shows a cross section along the dashed line YY'. 12 includes a substrate 50, an insulating film 51 in contact with the top surface of the substrate 50, an insulating film 114 in contact with the top surface of the insulating film 51, a semiconductor layer 101 in contact with the top surface of the insulating film 114, and a conductive layer 104a. and a conductive layer 104b, a gate insulating film 102 over the semiconductor layer 101, a gate electrode 103 overlapping with the semiconductor layer 101 with the gate insulating film 102 interposed therebetween,
have An insulating film 112 and an insulating film 113 are provided to cover the transistor 100 . Also, the transistor 100 may include a conductive layer 105 . Further, an insulating film may not be provided between the substrate 50 and the insulating film 114 .

半導体層101は、単層で形成してもよく、第1の層乃至第3の層の積層構造で形成さ
れることがより好ましい。第2の層は第1の上に接して設けられ、第3の層は第2層上に
接して設けられる。ここで、本発明の一態様のトランジスタにおいて、第1の層および第
3の層は、第2の層と比べて電流が流れにくい領域を有する。よって、第1の層および第
3の層を絶縁体層と呼ぶ場合がある。よって、図12に示す例のように、半導体層101
は絶縁体層101a、半導体層101b、および絶縁体層101cの積層構造で形成され
ることが好ましい。また、絶縁体層101a及び絶縁体層101cのうちいずれかを有さ
ない構造としてもよい。図12に示す例において、半導体層101bは、絶縁体層101
aの上面に接する。また、導電層104a及び導電層104bは、半導体層101bの上
面と接し、半導体層101bと重なる領域で離間する。また、絶縁体層101cは、半導
体層101bの上面に接する。また、ゲート絶縁膜102は、絶縁体層101cの上面と
接する。また、ゲート電極103は、ゲート絶縁膜102及び絶縁体層101cを介して
半導体層101bと重なる。
The semiconductor layer 101 may be formed with a single layer, or preferably has a stacked-layer structure of first to third layers. A second layer is provided on and in contact with the first, and a third layer is provided on and in contact with the second layer. Here, in the transistor of one embodiment of the present invention, the first layer and the third layer each have a region through which current is less likely to flow than the second layer. Therefore, the first layer and the third layer may be called insulator layers. Therefore, as in the example shown in FIG. 12, the semiconductor layer 101
is preferably formed with a stacked structure of an insulator layer 101a, a semiconductor layer 101b, and an insulator layer 101c. Alternatively, a structure that does not include either the insulator layer 101a or the insulator layer 101c may be employed. In the example shown in FIG. 12, the semiconductor layer 101b is the insulator layer 101
touches the upper surface of a. The conductive layers 104a and 104b are in contact with the top surface of the semiconductor layer 101b and separated from each other in a region overlapping with the semiconductor layer 101b. Also, the insulator layer 101c is in contact with the upper surface of the semiconductor layer 101b. Also, the gate insulating film 102 is in contact with the upper surface of the insulator layer 101c. In addition, the gate electrode 103 overlaps the semiconductor layer 101b with the gate insulating film 102 and the insulator layer 101c interposed therebetween.

またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112及び絶縁膜113が設けられている。
絶縁膜112及び絶縁膜113については、後述する実施の形態で詳細を述べる。
An insulating film 112 and an insulating film 113 are provided to cover the transistor 100 .
The insulating film 112 and the insulating film 113 will be described in detail in embodiments described later.

導電層104a及び導電層104bはソース電極またはドレイン電極としての機能を有
する。また、導電層105に、ソース電極よりも低い電圧または高い電圧を印加し、トラ
ンジスタのしきい値電圧をプラス方向またはマイナス方向へ変動させてもよい。トランジ
スタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることで、ゲート電圧が0Vであってもトラ
ンジスタが非導通状態(オフ状態)となる、ノーマリーオフが実現できる場合がある。な
お、導電層105に印加する電圧は、可変であってもよいし、固定であってもよい。導電
層105に印加する電圧を可変にする場合、電圧を制御する回路を導電層105に接続し
てもよい。また、導電層105は、ゲート電極103と接続してもよい。
The conductive layers 104a and 104b function as source and drain electrodes. Alternatively, a voltage lower or higher than that of the source electrode may be applied to the conductive layer 105 to change the threshold voltage of the transistor in the positive or negative direction. By changing the threshold voltage of a transistor in the positive direction, a normally-off state, in which the transistor is in a non-conducting state (off state) even when the gate voltage is 0 V, can be realized in some cases. Note that the voltage applied to the conductive layer 105 may be variable or fixed. When the voltage applied to the conductive layer 105 is variable, a circuit for controlling the voltage may be connected to the conductive layer 105 . Also, the conductive layer 105 may be connected to the gate electrode 103 .

絶縁膜114の上面はCMP(Chemical Mechanical Polis
hing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。
The upper surface of the insulating film 114 is subjected to CMP (Chemical Mechanical Politics).
It is preferably planarized by a planarization treatment using a hing method or the like.

絶縁膜114は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する
酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの
酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸
素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜114から脱離した酸素
は酸化物半導体である半導体層101に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減する
ことが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高める
ことができる。
The insulating film 114 preferably contains oxide. In particular, it preferably contains an oxide material from which part of oxygen is released by heating. Preferably, an oxide containing more oxygen than the stoichiometric composition is used. Part of the oxygen is released from the oxide film that contains more oxygen than the stoichiometric composition by heating. Oxygen released from the insulating film 114 is supplied to the semiconductor layer 101 which is an oxide semiconductor, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed and reliability can be improved.

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、昇温脱離ガ
ス分光法分析(TDS分析)にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×10
atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である
酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上7
00℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。
An oxide film containing more oxygen than the stoichiometric composition is, for example, a thermal desorption spectroscopy (TDS analysis) in which the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0×10 1
It is an oxide film having a density of 8 atoms/cm 3 or more, preferably 3.0×10 20 atoms/cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is 100° C. or higher.
00° C. or lower, or a range of 100° C. or higher and 500° C. or lower is preferable.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用い
ることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、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等を用いる事ができ
る。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素
の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多い材料を示す。
For example, it is preferable to use a material containing silicon oxide or silicon oxynitride as such a material. Alternatively, metal oxides can also be used. As the metal oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like can be used. In this specification, silicon oxynitride refers to a material whose composition contains more oxygen than nitrogen, and silicon oxynitride refers to a material whose composition contains more nitrogen than oxygen. indicates

また絶縁膜114に酸素を過剰に含有させるために、絶縁膜114に酸素を導入して酸
素を過剰に含有する領域を形成してもよい。例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少な
くとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に
含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法
、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
In order to cause the insulating film 114 to contain excessive oxygen, oxygen may be introduced into the insulating film 114 to form a region containing excessive oxygen. For example, oxygen (including at least oxygen radicals, oxygen atoms, or oxygen ions) is introduced into the insulating film 114 after deposition to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

半導体層101は、酸化物半導体を含んで構成される。酸化物半導体は、シリコンより
もバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジス
タのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。また、半導体層101が酸化物半
導体を含んで構成されることにより、電気特性の変動が抑制され、信頼性の高いトランジ
スタを実現できる。
The semiconductor layer 101 contains an oxide semiconductor. A semiconductor material having a wider bandgap and a lower carrier density than silicon is preferably used as an oxide semiconductor because current in the off state of the transistor can be reduced. In addition, since the semiconductor layer 101 contains an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics is suppressed, and a highly reliable transistor can be realized.

ここで半導体層101として、例えば実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導
体を用いることができる。
Here, for the semiconductor layer 101, the oxide semiconductor described in Embodiment 1 or 2 can be used, for example.

なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は
、1×1017/cm未満、1×1015/cm未満、または1×1013/cm
未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、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 term “substantially intrinsic” in this specification and the like means that the carrier density of the oxide semiconductor layer is less than 1×10 17 /cm 3 , less than 1×10 15 /cm 3 , or 1×10 13 /cm 3 .
is less than By using a highly purified intrinsic oxide semiconductor layer, the transistor can have stable electrical characteristics.

ここで、半導体層101として、絶縁体層101a、半導体層101b、及び絶縁体層
101cの積層膜を用いる場合について、詳しく説明する。半導体層101bは、絶縁体
層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いることが好まし
い。例えば、半導体層101bとして、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電
子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下
、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子
親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
Here, a case where a laminated film of an insulator layer 101a, a semiconductor layer 101b, and an insulator layer 101c is used as the semiconductor layer 101 will be described in detail. For the semiconductor layer 101b, an oxide having higher electron affinity than the insulator layers 101a and 101c is preferably used. For example, the semiconductor layer 101b has an electron affinity of 0.07 eV or more and 1.3 eV or less, preferably 0.1 eV or more and 0.7 eV or less, more preferably 0.15 eV or more and 0.1 eV or less than those of the insulator layers 101a and 101c. A large oxide of 4 eV or less is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

半導体層101bとして、絶縁体層101a及び絶縁体層101cよりも電子親和力の
大きい酸化物を用いることにより、ゲート電極に電界を印加すると、絶縁体層101a、
半導体層101b、絶縁体層101cのうち、電子親和力の大きい半導体層101bにチ
ャネルが形成される。ここで、半導体層101bにチャネルが形成されることにより、例
えばチャネル形成領域がゲート絶縁膜102との界面から離れるために、ゲート絶縁膜と
の界面での散乱の影響を小さくすることができる。よって、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。ここで、半導体層101bと絶縁体層101cは後述する通
り、構成する元素が共通しているため、界面散乱がほとんど生じない。
By using an oxide having a higher electron affinity than the insulator layers 101a and 101c as the semiconductor layer 101b, when an electric field is applied to the gate electrode, the insulator layers 101a,
Of the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c, a channel is formed in the semiconductor layer 101b having a high electron affinity. Here, by forming a channel in the semiconductor layer 101b, for example, the channel forming region is separated from the interface with the gate insulating film 102, so that the influence of scattering at the interface with the gate insulating film can be reduced. Therefore, the field effect mobility of the transistor can be increased. As will be described later, the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c have the same constituent elements, so interface scattering hardly occurs.

また、ゲート絶縁膜に酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜また
は窒化シリコン膜等を用いる場合、ゲート絶縁膜に含まれるシリコンが、酸化物半導体膜
に混入することがある。酸化物半導体膜にシリコンが含まれると、酸化物半導体膜の結晶
性の低下、キャリア移動度の低下などが起こる場合がある。従って、チャネルが形成され
る半導体層101bの不純物濃度、例えばシリコン濃度を低減するために、半導体層10
1bとゲート絶縁膜との間に絶縁体層101cを設けることが好ましい。同様の理由によ
り、絶縁膜114からの不純物拡散の影響を低減するために、半導体層101bと絶縁膜
114の間に絶縁体層101aを設けることが好ましい。
Further, when a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, a silicon nitride film, or the like is used for the gate insulating film, silicon contained in the gate insulating film might enter the oxide semiconductor film. When silicon is contained in the oxide semiconductor film, the crystallinity of the oxide semiconductor film may be lowered, the carrier mobility may be lowered, and the like. Therefore, in order to reduce the impurity concentration of the semiconductor layer 101b in which the channel is formed, for example, the silicon concentration, the semiconductor layer 10
An insulator layer 101c is preferably provided between 1b and the gate insulating film. For the same reason, it is preferable to provide the insulator layer 101a between the semiconductor layer 101b and the insulating film 114 in order to reduce the influence of impurity diffusion from the insulating film 114. FIG.

半導体層101bとして、例えば、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物半導体
膜を用いればよい。例えば実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体膜を用いる
ことが好ましい。
As the semiconductor layer 101b, an oxide semiconductor film containing indium, the element M, and zinc may be used, for example. For example, the oxide semiconductor film described in Embodiment 1 or 2 is preferably used.

半導体層101bは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体層
101bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは
2.7eV以上3.7eV以下、さらに好ましくは2.8eV以上3.3eV以下とする
For the semiconductor layer 101b, for example, an oxide with a large energy gap is used. The energy gap of the semiconductor layer 101b is, for example, 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.7 eV to 3.7 eV, more preferably 2.8 eV to 3.3 eV.

次に、絶縁体層101a及び絶縁体層101cについて説明する。例えば、絶縁体層1
01a及び絶縁体層101cは、半導体層101bを構成する酸素以外の元素一種以上、
または二種以上から構成される酸化物である。半導体層101bを構成する酸素以外の元
素一種以上、または二種以上から絶縁体層101a及び絶縁体層101cが構成されるた
め、絶縁体層101aと半導体層101bとの界面、及び半導体層101bと絶縁体層1
01cとの界面において、界面準位が形成されにくい。
Next, the insulator layer 101a and the insulator layer 101c will be described. For example, insulator layer 1
01a and the insulator layer 101c contain at least one element other than oxygen constituting the semiconductor layer 101b;
Alternatively, it is an oxide composed of two or more kinds. Since the insulator layer 101a and the insulator layer 101c are composed of one or more or two or more elements other than oxygen that constitute the semiconductor layer 101b, the interface between the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b and the semiconductor layer 101b insulator layer 1
At the interface with 01c, an interface level is difficult to form.

ここでバンド構造について図11に示す。図11には、真空準位(vacuum le
velと表記。)、各層の伝導帯下端のエネルギー(Ecと表記。)及び価電子帯上端の
エネルギー(Evと表記。)を示す。
FIG. 11 shows the band structure. FIG. 11 shows the vacuum level (vacuum le
Notated as vel. ), the energy at the bottom of the conduction band (represented by Ec) and the energy at the top of the valence band (represented by Ev) of each layer.

ここで、絶縁体層101aと半導体層101bとの間には、絶縁体層101aと半導体
層101bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体層101bと絶縁体層101
cとの間には、半導体層101bと絶縁体層101cとの混合領域を有する場合がある。
混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、絶縁体層101a、半導体層101b
及び絶縁体層101cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に
変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。
Here, there may be a mixed region of the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b between the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b. In addition, the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101
c, there may be a mixed region of the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c.
The mixed region has a low interface state density. Therefore, the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b
and the insulator layer 101c has a band structure in which the energy changes continuously (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.

このとき、電子は、絶縁体層101a中及び絶縁体層101c中ではなく、半導体層1
01b中を主として移動する。上述したように、絶縁体層101a及び半導体層101b
の界面における界面準位密度、半導体層101bと絶縁体層101cとの界面における界
面準位密度が低くすることによって、半導体層101b中で電子の移動が阻害されること
が少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
At this time, the electrons are not in the insulator layers 101a and 101c, but in the semiconductor layer 1
It mainly moves in 01b. As described above, insulator layer 101a and semiconductor layer 101b
By reducing the interface state density at the interface between the semiconductor layer 101b and the insulator layer 101c, the movement of electrons in the semiconductor layer 101b is less hindered, and the on-current of the transistor is reduced. can be raised.

なお、図11では、絶縁体層101aと絶縁体層101cのEcが同様である場合につ
いて示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、絶縁体層101aよりも絶縁体
層101cのEcが高いエネルギーを有してもよい。
In addition, although FIG. 11 shows the case where Ec of the insulating layer 101a and the insulating layer 101c are the same, they may be different. For example, Ec of the insulator layer 101c may have higher energy than that of the insulator layer 101a.

図12(B)に示すように、半導体層101bの側面は、導電層104a及び導電層1
04bと接する。また、図12(C)に示すように、ゲート電極103の電界によって、
半導体層101bを電気的に取り囲むことができる(導電体の電界によって、半導体を電
気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s-c
hannel)構造とよぶ。)。ゲート電極103が半導体層101bの上面及び側面に
面して設けられることで、半導体層101bの上面近傍だけでなく全体(バルク)にチャ
ネルが形成される場合がある。s-channel構造では、トランジスタのソース-ド
レイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる
As shown in FIG. 12B, the side surface of the semiconductor layer 101b includes the conductive layer 104a and the conductive layer 1
04b. Further, as shown in FIG. 12C, the electric field of the gate electrode 103 causes
The semiconductor layer 101b can be electrically surrounded (the structure of a transistor in which the semiconductor is electrically surrounded by an electric field of a conductor is called a surrounded channel (sc
channel) structure. ). When the gate electrode 103 is provided to face the upper surface and side surfaces of the semiconductor layer 101b, a channel may be formed not only in the vicinity of the upper surface of the semiconductor layer 101b but also in the entire (bulk) of the semiconductor layer 101b. In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and the current (on-current) during conduction can be increased.

高いオン電流が得られるため、s-channel構造は、微細化されたトランジスタ
に適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導
体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、
トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下
、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ま
しくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領
域を有する。特にチャネル幅が小さいほど半導体層101bの内部にまでチャネルが形成
される領域が広がるため、微細化するほどオン電流に対する寄与が高まる。
Since a high on-current can be obtained, the s-channel structure can be said to be a structure suitable for miniaturized transistors. Since a transistor can be miniaturized, a semiconductor device including the transistor can have a high degree of integration and high density. for example,
The transistor has a region with a channel length of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the transistor has a channel width of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably It has a region of 20 nm or less. In particular, the smaller the channel width, the wider the region where the channel is formed to the inside of the semiconductor layer 101b.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cとして、例えばIn-M-Zn酸化物を用いる
ことができる。
In--M--Zn oxide, for example, can be used for the insulator layers 101a and 101c.

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有す
る。そのため、例えば絶縁体層101cはインジウムガリウム酸化物を含んでもよい。ガ
リウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以
上、さらに好ましくは90%以上とする。
Indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Thus, for example, insulator layer 101c may include indium gallium oxide. The gallium atomic ratio [Ga/(In+Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

また、絶縁体層101cは、酸化ガリウムを含むことがより好ましい。絶縁体層101
cに酸化ガリウムを含むと、より低いオフ電流を実現できる場合がある。
Insulator layer 101c more preferably contains gallium oxide. insulator layer 101
When c contains gallium oxide, a lower off current can be achieved in some cases.

また、絶縁体層101a及び絶縁体層101cはnc-OS膜やCAAC-OS膜を用
いることが好ましい。ここで、絶縁体層101aや絶縁体層101cのnc比率や、CA
AC比率を高めることにより、例えば、欠陥をより少なくすることができる。また、例え
ばスピネル型の結晶を有する領域を少なくすることができる。また、例えばキャリアの散
乱を小さくすることができる。また、例えば不純物に対するブロック能の高い膜とするこ
とができる。また、半導体層101bへの不純物の混入を抑制することができ、半導体層
101bの不純物濃度を低減することができる。
An nc-OS film or a CAAC-OS film is preferably used for the insulator layers 101a and 101c. Here, the nc ratio of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c, the CA
A higher AC ratio can result in fewer defects, for example. In addition, for example, a region having spinel crystals can be reduced. Also, for example, carrier scattering can be reduced. Also, for example, a film having a high blocking ability against impurities can be used. In addition, it is possible to suppress the entry of impurities into the semiconductor layer 101b and reduce the impurity concentration of the semiconductor layer 101b.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cのnc比率は、例えば10%以上が好ましく、
30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上が好ましく、90%以上が好
ましく、95%以上が好ましい。
The nc ratio of the insulator layer 101a and the insulator layer 101c is preferably 10% or more, for example.
30% or more is preferable, 50% or more is preferable, 80% or more is preferable, 90% or more is preferable, 95% or more is preferable.

ここで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cがIn-M-Zn
酸化物である場合を考える。絶縁体層101aが有するIn、元素M及びZnの原子数比
をx、y及びzとする。同様に、半導体層101bが有するIn、元素M及びZn
の原子数比をx、y及びzとする。同様に、絶縁体層101cが有するIn、元素
M及びZnの原子数比をx、y及びzとする。以下にそれぞれの好ましい値につい
て説明する。
Here, the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c are made of In--M--Zn.
Consider the case of an oxide. Let x a , ya, and za be the atomic ratios of In, M, and Zn in the insulator layer 101a. Similarly, In, elements M, and Zn included in the semiconductor layer 101b
Let x b , y b and z b be the atomic number ratios of . Similarly, let xc , yc , and zc be the atomic ratios of In, M, and Zn in the insulator layer 101c. Preferred values for each are described below.

、y及びzは図1、図2(A)及び図4に示す領域11、領域12、領域13
及び領域14のいずれかの範囲をとることが好ましい。
x b , y b and z b are regions 11, 12 and 13 shown in FIGS.
and region 14.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cはスピネル型の結晶構造が含まれない、または
少ないことが好ましい。よって、x:y:z及びx:y:zは、例えば図1
の領域11の範囲内であり、かつ半導体層101bよりも電子親和力が小さくなる値を取
ることが好ましい。
It is preferable that the insulator layer 101a and the insulator layer 101c have no or little spinel crystal structure. Thus, x a : y a : za and x c : y c : z c are for example
is within the range of the region 11 and the electron affinity is smaller than that of the semiconductor layer 101b.

ここで、半導体層101bの電子親和力を絶縁体層101a及び絶縁体層101cより
大きくするには、例えば半導体層101bのインジウムの含有率を絶縁体層101a及び
絶縁体層101cよりも高めることが好ましい。
Here, in order to make the electron affinity of the semiconductor layer 101b higher than those of the insulator layers 101a and 101c, for example, it is preferable that the indium content of the semiconductor layer 101b is higher than those of the insulator layers 101a and 101c. .

例えば、x/(x+y+z)>x/(x+y+z)、及びx/(x
+y+z)>x/(x+y+z)を満たすことが好ましい。
For example, xb / ( xb + yb + zb )> xa /(xa+ ya + za ), and xb /(x
b + yb + zb )> xc /( xc + yc + zc ) is preferably satisfied.

例えば、好ましくはx/(x+y)<0.5であり、より好ましくはx/(x
+y)<0.33であり、さらに好ましくはx/(x+y)<0.25である
。また、好ましくはx/(x+y)≧0.25であり、さらに好ましくはx/(
+y)≧0.34である。また、好ましくはx/(x+y)<0.5であり
、より好ましくはx/(x+y)<0.33あり、さらに好ましくはx/(x
+y)<0.25である。
For example, preferably x a /(x a +y a )<0.5, more preferably x a /(x
a + y a )<0.33, more preferably x a /(x a +y a )<0.25. In addition, preferably x b /(x b +y b )≧0.25, more preferably x b /(
x b +y b )≧0.34. In addition, preferably x c /(x c +y c )<0.5, more preferably x c /(x c +y c )<0.33, still more preferably x c /(x c
+y c )<0.25.

または、x、y、z、及びx、y、zは図2(B)に示す領域16内の原
子数の比を有することが好ましい。ここで領域16は、第1の座標K(x:y:z=8:
14:7)と、第2の座標R(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標L(x:y:z
=2:5:7)と、第4の座標M(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標
B(x:y:z=1:4:10)と、第6の座標C(x:y:z=1:1:4)と、第7
の座標A(x:y:z=2:2:1)と、前記第1の座標Kを、順番に線分で結んだ領域
である。なお、領域16には全ての座標を含む。
Alternatively, x a , y a , za , and x c , y c , z c preferably have the ratio of the number of atoms in region 16 shown in FIG. 2(B). Here the area 16 is defined by the first coordinates K (x:y:z=8:
14:7), a second coordinate R (x:y:z=2:4:3) and a third coordinate L (x:y:z
=2:5:7), the fourth coordinate M (x:y:z=51:149:300), the fifth coordinate B (x:y:z=1:4:10), and the 6 coordinates C (x:y:z=1:1:4) and the seventh
and the first coordinate K are connected by line segments in order. Note that the area 16 contains all the coordinates.

なお、トランジスタがs-channel構造を有する場合、半導体層101bの全体
にチャネルが形成される。したがって、半導体層101bが厚いほどチャネル領域は大き
くなる。即ち、半導体層101bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることが
できる。例えば、20nm以上、好ましくは40nm以上、さらに好ましくは60nm以
上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導体層101bとすればよい
。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、300nm以下、好
ましくは200nm以下、さらに好ましくは150nm以下の厚さの領域を有する半導体
層101bとすればよい。
Note that when a transistor has an s-channel structure, a channel is formed over the entire semiconductor layer 101b. Therefore, the thicker the semiconductor layer 101b, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor layer 101b, the higher the on-current of the transistor. For example, the semiconductor layer 101b may have a region with a thickness of 20 nm or more, preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more, and more preferably 100 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may decrease, the semiconductor layer 101b may have a region with a thickness of 300 nm or less, preferably 200 nm or less, more preferably 150 nm or less, for example.

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体層101cの厚さは小さい
ほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm
以下の領域を有する絶縁体層101cとすればよい。一方、絶縁体層101cは、チャネ
ルの形成される半導体層101bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、
シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体層10
1cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは
1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101cとすれ
ばよい。また、絶縁体層101cは、ゲート絶縁膜102などから放出される酸素の外方
拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
In addition, the thickness of the insulator layer 101c is preferably as small as possible in order to increase the on-state current of the transistor. For example, less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm
The insulator layer 101c having the following regions may be used. On the other hand, the insulator layer 101c supplies elements other than oxygen (hydrogen,
It has a function to block the entry of silicon, etc.). Therefore, insulator layer 10
1c preferably has a certain thickness. For example, the insulator layer 101c may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more. Insulator layer 101c preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from gate insulating film 102 and the like.

また、信頼性を高くするためには、絶縁体層101aは厚く、絶縁体層101cは薄い
ことが好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは4
0nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101aとすれ
ばよい。絶縁体層101aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体層101
aとの界面からチャネルの形成される半導体層101bまでの距離を離すことができる。
ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ま
しくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する絶縁体層1
01aとすればよい。
In order to improve reliability, it is preferable that the insulator layer 101a is thick and the insulator layer 101c is thin. For example, 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 4
The insulator layer 101a may have a region with a thickness of 0 nm or more, more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the insulator layer 101a, the adjacent insulator and the insulator layer 101a
The distance from the interface with a to the semiconductor layer 101b in which the channel is formed can be increased.
However, since the productivity of the semiconductor device may decrease, for example, the insulator layer 1 having a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less
01a.

酸化物半導体膜に水素や水分が多量に含まれると、水素に起因したドナー準位が形成さ
れる場合がある。ドナー準位の形成により、トランジスタのしきい値がマイナス方向にシ
フトする場合がある。よって酸化物半導体膜の形成後に脱水化処理(脱水素化処理)を行
い、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好まし
い。
When a large amount of hydrogen or moisture is contained in the oxide semiconductor film, a donor level due to hydrogen may be formed. The formation of the donor level may shift the threshold of the transistor in the negative direction. Therefore, dehydration treatment (dehydrogenation treatment) is preferably performed after the oxide semiconductor film is formed to remove hydrogen or moisture so that the oxide semiconductor film is highly purified so as to contain impurities as little as possible.

なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、同時に酸素も減少し
てしまうことがある。よって、脱水化処理後、酸素を供給し、酸化物半導体膜の酸素欠損
を補填することが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給すること
を、加酸素化処理と記す場合がある。または酸化物半導体膜に含まれる酸素の割合を化学
量論的組成よりも高くすることを過酸素化処理と記す場合がある。
Note that the dehydration treatment (dehydrogenation treatment) on the oxide semiconductor film may also reduce oxygen at the same time. Therefore, after dehydration treatment, oxygen is preferably supplied to fill oxygen vacancies in the oxide semiconductor film. In this specification and the like, supplying oxygen to an oxide semiconductor film is sometimes referred to as oxygenation treatment. Alternatively, making the proportion of oxygen contained in the oxide semiconductor film higher than the stoichiometric composition may be referred to as peroxygenation treatment.

このように、脱水化処理により水素または水分を除去し、さらに加酸素化処理により酸
素欠損を補填することによって、i型(真性)、またはi型に限りなく近い、実質的にi
型(真性)である酸化物半導体膜を実現することができる。なお、実質的に真性とは、酸
化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密
度が1×1017/cm以下、1×1016/cm以下、1×1015/cm以下
、1×1014/cm以下、1×1013/cm以下であることをいう。
In this way, by removing hydrogen or moisture by dehydration treatment and by supplementing oxygen vacancies by oxygenation treatment, i-type (intrinsic) or substantially i-type
A type (intrinsic) oxide semiconductor film can be realized. Note that the term “substantially intrinsic” means that the number of donor-derived carriers in the oxide semiconductor film is extremely small (close to zero) and the carrier density is 1×10 17 /cm 3 or less, 1×10 16 /cm 3 or less, 1×10 15 /cm 3 or less, 1×10 14 /cm 3 or less, or 1×10 13 /cm 3 or less.

i型又は実質的にi型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオ
フ電流を実現することができる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオフ電
流を、室温(25℃程度)にて1×10-18A以下、好ましくは1×10-21A以下
、さらに好ましくは1×10-24A以下、または85℃にて1×10-15A以下、好
ましくは1×10-18A以下、さらに好ましくは1×10-21A以下とすることがで
きる。ここで、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を指す。ま
た、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がし
きい値よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値よりも1V以上
、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。
A transistor including an i-type or substantially i-type oxide semiconductor film can achieve extremely excellent off-state current. For example, the off-state current of a transistor including an oxide semiconductor film is 1×10 −18 A or less, preferably 1×10 −21 A or less, more preferably 1×10 −24 A at room temperature (about 25° C.). or less, or 1×10 −15 A or less at 85° C., preferably 1×10 −18 A or less, more preferably 1×10 −21 A or less. Here, off current refers to drain current when the transistor is in an off state. In addition, in the case of an n-channel transistor, the off state of the transistor means a state in which the gate voltage is sufficiently lower than the threshold. Specifically, when the gate voltage is 1 V or more, 2 V or more, or 3 V or more less than the threshold value, the transistor is turned off.

導電層104a及び導電層104bは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイ
ン電極として機能する。
One of the conductive layers 104a and 104b functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.

導電層104a及び導電層104bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅
、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの
金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、
シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層
構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅-マグネシウム-アル
ミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タ
ングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン
膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチ
タン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と
、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層
し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。
なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
The conductive layers 104a and 104b each have a single-layer structure or a stacked-layer structure of a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing any of these metals as a main component. used as for example,
A single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which an aluminum film is laminated on a titanium film, a two-layer structure in which an aluminum film is laminated on a tungsten film, and a copper film is laminated on a copper-magnesium-aluminum alloy film Two-layer structure, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a titanium film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a tungsten film, a titanium film or a titanium nitride film, and aluminum on the titanium film or titanium nitride film A three-layer structure in which a film or a copper film is laminated and a titanium film or a titanium nitride film is formed thereon, a molybdenum film or a molybdenum nitride film, and an aluminum film or a copper film is laminated on the molybdenum film or the molybdenum nitride film. There is a three-layer structure in which a molybdenum film or a molybdenum nitride film is formed thereon.
Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

ゲート絶縁膜102は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、
酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa-Zn系金属酸化物、窒化
シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
The gate insulating film 102 is made of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide,
Aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, Ga—Zn-based metal oxide, silicon nitride, or the like may be used, and a stacked layer or a single layer is provided.

また、ゲート絶縁膜102として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添
加されたハフニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムア
ルミネート(HfAl)、酸化イットリウムなどのhigh-k材料を用いて
もよい。
As the gate insulating film 102, hafnium silicate ( HfSiOx ) , nitrogen-added hafnium silicate (HfSixOyNz ) , nitrogen- added hafnium aluminate (HfAlxOyNz ) , yttrium oxide A high-k material, such as, may be used.

また、ゲート絶縁膜102として、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、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物
絶縁膜、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。
As the gate insulating film 102, an oxide insulating film such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. , a nitride insulating film such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or aluminum nitride oxide, or a mixture thereof.

また、ゲート絶縁膜102として、絶縁膜114と同様に、化学量論的組成を満たす酸
素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。
As the gate insulating film 102, an oxide insulating film containing more oxygen than the stoichiometric composition is preferably used, similarly to the insulating film 114. FIG.

なお、特定の材料をゲート絶縁膜に用いると、特定の条件でゲート絶縁膜に電子を捕獲
せしめて、しきい値電圧をプラス方向へシフトさせることもできる。例えば、酸化シリコ
ンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁膜の一部に酸化ハフニウム、酸化アル
ミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度(半導体
装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、125℃以上450℃以下
、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレ
イン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、半導体
層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲
される。
If a specific material is used for the gate insulating film, electrons can be trapped in the gate insulating film under specific conditions, and the threshold voltage can be shifted in the positive direction. For example, materials with many electron capture levels, such as hafnium oxide, aluminum oxide, and tantalum oxide, are used for part of the gate insulating film, such as a laminated film of silicon oxide and hafnium oxide, and the use of semiconductor devices at higher temperatures is possible. A state in which the potential of the gate electrode is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode at a temperature higher than the storage temperature, or 125° C. or higher and 450° C. or lower, typically 150° C. or higher and 300° C. or lower By maintaining for 1 second or longer, typically 1 minute or longer, electrons move from the semiconductor layer toward the gate electrode, some of which are trapped in electron trap levels.

ゲート電極103は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデ
ン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した
金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウ
ムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元
素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサ
イドを用いてもよい。また、ゲート電極103は、単層構造でも、二層以上の積層構造と
してもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチ
タン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン
膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上
にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を
積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、
チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選
ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
The gate electrode 103 is formed using, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, an alloy containing any of the above metals, or an alloy combining any of the above metals. can be done. Alternatively, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used. Further, the gate electrode 103 may have a single-layer structure or a laminated structure of two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked over an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked over a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked over a titanium nitride film. a layer structure, a two-layer structure in which a tungsten film is laminated on a tantalum nitride film or a tungsten nitride film, a three-layer structure in which a titanium film is laminated, an aluminum film is laminated on the titanium film, and a titanium film is further formed thereon, and the like. be. Also, for aluminum,
An alloy film in which one or more metals selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined, or a nitride film may be used.

また、ゲート電極103は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム
酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸
化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添
加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また
、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
The gate electrode 103 is formed of indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, and indium zinc oxide. Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Alternatively, a layered structure of the light-transmitting conductive material and the metal can be used.

また、ゲート電極103とゲート絶縁膜102の間に、In-Ga-Zn系酸窒化物半
導体膜、In-Sn系酸窒化物半導体膜、In-Ga系酸窒化物半導体膜、In-Zn系
酸窒化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(I
nN、ZnN等)等を設けてもよい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.5eV以
上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導
体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせることができ、所謂ノ
ーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In-Ga-Zn系酸窒化
物半導体膜を用いる場合、少なくとも半導体層101より高い窒素濃度、具体的には7原
子%以上のIn-Ga-Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。
Further, between the gate electrode 103 and the gate insulating film 102, an In--Ga--Zn-based oxynitride semiconductor film, an In--Sn-based oxynitride semiconductor film, an In--Ga-based oxynitride semiconductor film, and an In--Zn-based Oxynitride semiconductor films, Sn-based oxynitride semiconductor films, In-based oxynitride semiconductor films, metal nitride films (I
nN, ZnN, etc.) may be provided. These films have a work function of 5 eV or more, preferably 5.5 eV or more, which is higher than the electron affinity of an oxide semiconductor; A switching element with a so-called normally-off characteristic can be realized. For example, when using an In--Ga--Zn-based oxynitride semiconductor film, the In--Ga--Zn-based oxynitride semiconductor film is used with a nitrogen concentration higher than that of the semiconductor layer 101, specifically 7 atomic % or more.

以上がトランジスタ100についての説明である。 The above is the description of the transistor 100 .

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトラ
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領
域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)
とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトラ
ンジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
Note that the channel length refers to, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion of the semiconductor where current flows when the transistor is on) overlaps with a gate electrode, or a region in which a channel is formed. , source (source region or source electrode)
and the drain (drain region or drain electrode). Note that channel lengths in one transistor do not always have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中
で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域に
おける、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトラン
ジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
The channel width is, for example, a region where a semiconductor (or a portion of the semiconductor where current flows when the transistor is on) overlaps with a gate electrode, or a region where a channel is formed, where the source and the drain face each other. It means the length of the part where 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 specification, the channel width is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャ
ネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)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、半導体の上面
に形成されるチャネル領域の割合に対して、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 its effect cannot be ignored. For example, in a transistor having a fine three-dimensional structure, the proportion of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be greater than the proportion of the channel region formed on the top surface of the semiconductor. 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.

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、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチ
ャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel
Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合
には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明
細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。
なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込み
チャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、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。
Therefore, in this specification, in a top view of a transistor, the apparent channel width, which is the length of the portion where the source and the drain face each other in the region where the semiconductor and the gate electrode overlap, is referred to as the "surrounding channel width (SCW : Surrounded 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.

[トランジスタの例2]
本発明の一態様である酸化物半導体膜を用いたトランジスタの、図12とは異なる構造
の一例について、図13を用いて説明を行う。図13(A)は、本発明の一態様の半導体
装置であるトランジスタ100の上面図であり、図13(B)は、図13(A)に示す一
点鎖線X1-X2間における切断面の断面図に相当し、図13(C)は、図13(A)に
示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の断面図に相当する。
[Transistor example 2]
An example of a structure of a transistor including an oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, which is different from that in FIG. 12, will be described with reference to FIGS. 13A is a top view of a transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 13A. FIG. 13(C) corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along the dashed-dotted line Y1-Y2 shown in FIG. 13(A).

トランジスタ100は、基板50上のゲート電極として機能するゲート電極203aと
、基板50及びゲート電極203a上のゲート絶縁膜202と、ゲート絶縁膜202上の
半導体層201と、半導体層201に電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と
して機能する導電層204a、導電層204bと、を有する。また、トランジスタ100
上、より詳しくは、導電層204a、導電層204b及び半導体層201上に絶縁膜21
4、絶縁膜216及び絶縁膜218が順に積層して設けられる。
In the transistor 100, the gate electrode 203a functioning as a gate electrode over the substrate 50, the gate insulating film 202 over the substrate 50 and the gate electrode 203a, the semiconductor layer 201 over the gate insulating film 202, and the semiconductor layer 201 are electrically connected. It has a conductive layer 204a and a conductive layer 204b functioning as a connected source electrode and a drain electrode. Moreover, the transistor 100
An insulating film 21 is formed on the conductive layer 204 a , the conductive layer 204 b and the semiconductor layer 201 , more specifically, on the conductive layer 204 a , the conductive layer 204 b and the semiconductor layer 201 .
4. An insulating film 216 and an insulating film 218 are laminated in order.

次に、本実施の形態のトランジスタに含まれる構成要素について説明する。 Next, components included in the transistor of this embodiment are described.

トランジスタ100のゲート電極として機能するゲート電極203aとしては、ゲート
電極103の記載を参照すればよい。
For the gate electrode 203a functioning as the gate electrode of the transistor 100, the description of the gate electrode 103 can be referred to.

トランジスタ100のゲート絶縁膜として機能するゲート絶縁膜202としては、ゲー
ト絶縁膜102の記載を参照すればよい。また、ゲート絶縁膜202として2層以上の積
層膜を用いてもよい。例えば図13に示すように、ゲート絶縁膜202aとゲート絶縁膜
202bの2層構造としてもよい。その場合は、例えば下層、ここではゲート絶縁膜20
2aに酸素の透過を抑制するブロッキング膜としての機能を有する膜を用いてもよい。ブ
ロッキング膜としての機能を有する膜としては、例えば後述するバリア膜111等を参照
すればよい。
For the gate insulating film 202 functioning as the gate insulating film of the transistor 100, the description of the gate insulating film 102 can be referred to. Alternatively, a laminated film having two or more layers may be used as the gate insulating film 202 . For example, as shown in FIG. 13, a two-layer structure of a gate insulating film 202a and a gate insulating film 202b may be employed. In that case, for example, the lower layer, here the gate insulating film 20
A film having a function as a blocking film that suppresses permeation of oxygen may be used for 2a. As a film functioning as a blocking film, for example, a barrier film 111 or the like, which will be described later, may be referred to.

半導体層201としては、実施の形態1や、実施の形態2に示す酸化物半導体膜を用い
ればよい。また、半導体層201として、半導体層101の記載を参照してもよい。また
、半導体層201は2層以上の積層膜を用いてもよい。
As the semiconductor layer 201, the oxide semiconductor film described in Embodiment 1 or 2 may be used. For the semiconductor layer 201, the description of the semiconductor layer 101 may be referred to. Alternatively, the semiconductor layer 201 may be a laminated film of two or more layers.

絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218は、トランジスタ100の保護絶縁膜と
しての機能を有する。絶縁膜214は、絶縁膜216を形成する際の半導体層201への
ダメージ緩和膜としても機能する。
The insulating films 214 , 216 , and 218 function as protective insulating films of the transistor 100 . The insulating film 214 also functions as a damage mitigation film to the semiconductor layer 201 when the insulating film 216 is formed.

絶縁膜214、絶縁膜216は、例えば、前述の絶縁膜114のように化学量論的組成
よりも過剰に酸素を含有する領域(酸素過剰領域)を有することがより好ましい。
The insulating film 214 and the insulating film 216 preferably have a region containing oxygen in excess of the stoichiometric composition (oxygen excess region), for example, like the insulating film 114 described above.

また絶縁膜214は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ESR測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度が
3×1017spins/cm以下であることが好ましい。絶縁膜214に含まれる欠
陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜214における酸素の透過量が
減少してしまう。
In addition , the insulating film 214 preferably has a small amount of defects. It is preferably 3 or less. If the density of defects included in the insulating film 214 is high, oxygen is bound to the defects, and the amount of oxygen permeation through the insulating film 214 is reduced.

なお、絶縁膜214においては、外部から絶縁膜214に入った酸素が全て絶縁膜21
4の外部に移動せず、絶縁膜214にとどまる酸素もある。また、絶縁膜214に酸素が
入ると共に、絶縁膜214に含まれる酸素が絶縁膜214の外部へ移動することで、絶縁
膜214において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜214として酸素を透過するこ
とができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜214上に設けられる、絶縁膜216から
脱離する酸素を、絶縁膜214を介して半導体層201に移動させることができる。
In addition, in the insulating film 214 , all of the oxygen entering the insulating film 214 from the outside
Some oxygen remains in the insulating film 214 without moving to the outside of 4 . Further, when oxygen enters the insulating film 214 and oxygen contained in the insulating film 214 moves to the outside of the insulating film 214 , oxygen may move in the insulating film 214 . When an oxide insulating film which can transmit oxygen is formed as the insulating film 214 , oxygen released from the insulating film 216 provided over the insulating film 214 is transferred to the semiconductor layer 201 through the insulating film 214 . can be done.

また、絶縁膜214は、酸化物半導体膜の価電子帯の上端のエネルギー(Ev_os
と伝導帯の下端のエネルギー(Ec_os)の間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶
縁膜を用いて形成することができる。Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密
度が低い酸化物絶縁膜として、窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化シリコン膜、または
窒素酸化物の放出量が少ない酸化窒化アルミニウム膜等を用いることができる。
In addition, the insulating film 214 has the energy (E v — os ) at the upper end of the valence band of the oxide semiconductor film.
can be formed using an oxide insulating film in which the level density of nitrogen oxide is low between the energy (E c — os ) at the bottom of the conduction band and the energy (E c — os ) at the bottom of the conduction band. As the oxide insulating film with a low level density of nitrogen oxides between Ev_os and Ec_os , a silicon oxynitride film which releases a small amount of nitrogen oxides, an aluminum oxynitride film which releases a small amount of nitrogen oxides, or the like can be used.

なお、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、昇温脱離ガス分析法におい
て、窒素酸化物の放出量よりアンモニア分子の放出量が多い膜であり、代表的にはアンモ
ニア分子の放出量が1×1018個/cm以上5×1019個/cm以下である。な
お、アンモニア分子の放出量は、膜の表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは5
0℃以上550℃以下の加熱処理による放出量とする。
Note that a silicon oxynitride film that releases a small amount of nitrogen oxides is a film that releases a larger amount of ammonia molecules than nitrogen oxides in the temperature-programmed desorption spectrometry. The emission amount is 1×10 18 pieces/cm 3 or more and 5×10 19 pieces/cm 3 or less. The release amount of ammonia molecules is determined when the surface temperature of the film is 50° C. or more and 650° C. or less, preferably 5° C. or less.
It is the amount released by heat treatment at 0°C or higher and 550°C or lower.

窒素酸化物(NO、xは0より大きく2以下、好ましくは1以上2以下)、代表的に
はNOまたはNOは、絶縁膜214などに準位を形成する。当該準位は、半導体層20
1のエネルギーギャップ内に位置する。そのため、窒素酸化物が、絶縁膜214及び半導
体層201の界面に拡散すると、当該準位が絶縁膜214側において電子をトラップする
場合がある。この結果、トラップされた電子が、絶縁膜214及び半導体層201界面近
傍に留まるため、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせてしまう。
Nitrogen oxides (NO x , where x is greater than 0 and less than or equal to 2, preferably from 1 to 2), typically NO 2 or NO, form levels in the insulating film 214 and the like. The level of the semiconductor layer 20
located within the energy gap of 1. Therefore, when nitrogen oxide diffuses to the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, the level may trap electrons on the insulating film 214 side. As a result, the trapped electrons remain near the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, which shifts the threshold voltage of the transistor in the positive direction.

また、窒素酸化物は、加熱処理においてアンモニア及び酸素と反応する。絶縁膜214
に含まれる窒素酸化物は、加熱処理において、絶縁膜216に含まれるアンモニアと反応
するため、絶縁膜214に含まれる窒素酸化物が低減される。このため、絶縁膜214及
び半導体層201の界面において、電子がトラップされにくい。
Nitrogen oxides also react with ammonia and oxygen during heat treatment. Insulating film 214
nitrogen oxides contained in the insulating film 214 react with ammonia contained in the insulating film 216 in the heat treatment, so nitrogen oxides contained in the insulating film 214 are reduced. Therefore, electrons are less likely to be trapped at the interface between the insulating film 214 and the semiconductor layer 201 .

なお、絶縁膜214は、半導体層201において、チャネルが形成される領域の反対側
(以下、バックチャネル領域という。)において半導体層201と接することで、半導体
層201のバックチャネル領域を保護する機能を有する。
Note that the insulating film 214 has a function of protecting the back channel region of the semiconductor layer 201 by being in contact with the semiconductor layer 201 on the opposite side of the region where the channel is formed (hereinafter referred to as the back channel region). have

絶縁膜214として、Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化
物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフト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低減することができる。
By using an oxide insulating film in which the level density of nitrogen oxide is low between Ev_os and Ec_os as the insulating film 214, shift of the threshold voltage of the transistor can be reduced. Fluctuations in electrical properties can be reduced.

また、Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化物絶縁膜は、S
IMSで測定される窒素濃度が6×1020atoms/cm以下である。
In addition, an oxide insulating film having a low level density of nitrogen oxides between Ev_os and Ec_os has S
A nitrogen concentration measured by IMS is 6×10 20 atoms/cm 3 or less.

また、絶縁膜216は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ESR測定によ
り、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度
が1.5×1018spins/cm未満、さらには1×1018spins/cm
以下であることが好ましい。なお、絶縁膜216は、絶縁膜214と比較して半導体層2
01から離れているため、絶縁膜214より、欠陥密度が多くともよい。
In addition, the insulating film 216 preferably has a small amount of defects . less than 1×10 18 spins/cm 3 or even less than 1×10 18 spins/cm 3
The following are preferable. Note that the insulating film 216 is closer to the semiconductor layer 2 than the insulating film 214 .
01, the defect density may be higher than that of the insulating film 214 .

また、トランジスタ100は図14及び図15に示す構造でもよい。ここで、図13に
示したトランジスタ100は、チャネルエッチ型のトランジスタであったが、図14及び
図15に示すトランジスタ100は、チャネル保護型のトランジスタである。
Alternatively, the transistor 100 may have the structure shown in FIGS. Here, the transistor 100 illustrated in FIG. 13 is a channel-etched transistor, but the transistor 100 illustrated in FIGS. 14 and 15 is a channel-protected transistor.

図14(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であ
り、図14(B)は、図14(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断面の断面図
に相当し、図14(C)は、図14(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の
断面図に相当する。図14に示すトランジスタ100は、基板50上に設けられるゲート
電極203aと、基板50及びゲート電極203a上に形成されるゲート絶縁膜202と
、ゲート絶縁膜202を介して、ゲート電極203aと重なる半導体層201と、ゲート
絶縁膜202及び半導体層201上の絶縁膜214と、絶縁膜214上の絶縁膜216と
、絶縁膜214及び絶縁膜216の開口部141aおよび141bにおいて半導体層20
1に接する一対の導電層204a及び導電層204bとを有する。また、トランジスタ1
00上、より詳しくは導電層204a、導電層204b、及び絶縁膜216上に、絶縁膜
218を設けてもよい。
14A is a top view of a transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 14A. FIG. 14(C) corresponds to a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line Y1-Y2 shown in FIG. 14(A). A transistor 100 illustrated in FIG. 14 includes a gate electrode 203a provided over a substrate 50, a gate insulating film 202 formed over the substrate 50 and the gate electrode 203a, and a semiconductor layer overlapping with the gate electrode 203a with the gate insulating film 202 interposed therebetween. Layer 201 , insulating film 214 on gate insulating film 202 and semiconductor layer 201 , insulating film 216 on insulating film 214 , insulating film 214 and semiconductor layer 20 in openings 141 a and 141 b of insulating film 216 .
It has a pair of conductive layers 204a and 204b which are in contact with each other. Also, the transistor 1
An insulating film 218 may be provided over 00, more specifically, over the conductive layers 204 a , 204 b , and the insulating film 216 .

図15(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の上面図であ
り、図15(B)は、図15(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断面の断面図
に相当し、図15(C)は、図15(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間における切断面の
断面図に相当する。図15に示すトランジスタ100は、図14に示すトランジスタ10
0と絶縁膜214、216の形状が相違する。具体的には、図15に示すトランジスタ1
00の絶縁膜214、216は、半導体層101のチャネル領域上に島状に設けられる。
その他の構成は、図14に示すトランジスタ100と同様であり、同様の効果を奏する。
15A is a top view of a transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 15A. FIG. 15(C) corresponds to a cross-sectional view of a cross section taken along the dashed-dotted line Y1-Y2 shown in FIG. 15(A). The transistor 100 shown in FIG. 15 corresponds to the transistor 10 shown in FIG.
0 and the insulating films 214 and 216 are different. Specifically, the transistor 1 shown in FIG.
00 insulating films 214 and 216 are provided in an island shape on the channel region of the semiconductor layer 101 .
Other configurations are similar to those of the transistor 100 shown in FIG. 14, and similar effects can be obtained.

図14及び図15に示すトランジスタ100はいずれも、一対の導電層204a及び導
電層204bを形成する際に半導体層201が絶縁膜214及び絶縁膜216に覆われて
いるため、一対の導電層204a及び導電層204bを形成するエッチングによって、半
導体層201はダメージを受けない。さらに、絶縁膜214及び絶縁膜216を、窒素を
有し、且つ欠陥量の少ない酸化物絶縁膜とすることで、電気特性の変動が抑制され、信頼
性が向上されたトランジスタを作製することができる。
14 and 15, the semiconductor layer 201 is covered with the insulating film 214 and the insulating film 216 when the pair of conductive layers 204a and 204b are formed. And the semiconductor layer 201 is not damaged by the etching for forming the conductive layer 204b. Further, when the insulating films 214 and 216 are oxide insulating films containing nitrogen and having a small number of defects, variation in electrical characteristics is suppressed, and a transistor with improved reliability can be manufactured. can.

また、トランジスタ100は図16に示すように、絶縁膜218上に電極203bを有
してもよい。図16(A)は、本発明の一態様の半導体装置であるトランジスタ100の
上面図であり、図16(B)は、図16(A)に示す一点鎖線X1-X2間における切断
面の断面図に相当し、図16(C)は、図16(A)に示す一点鎖線Y1-Y2間におけ
る切断面の断面図に相当する。図16には、電極203bが、絶縁膜214及び絶縁膜2
16に設けられた開口部142c及び開口部142dを介してゲート電極203aと接続
する構成を示すが、電極203bとゲート電極203aを接続しない構成としてもよい。
電極203bとゲート電極203aを接続しない場合には、それぞれの電極に異なる電位
を与えることができる。
Further, the transistor 100 may have an electrode 203b over the insulating film 218 as shown in FIG. 16A is a top view of a transistor 100 which is a semiconductor device of one embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line X1-X2 in FIG. 16A. FIG. 16(C) corresponds to a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line Y1-Y2 shown in FIG. 16(A). In FIG. 16, the electrode 203b is connected to the insulating film 214 and the insulating film 2
Although the structure in which the gate electrode 203a is connected to the gate electrode 203a through the opening 142c and the opening 142d provided in 16 is shown, a structure in which the electrode 203b and the gate electrode 203a are not connected may be employed.
When the electrode 203b and the gate electrode 203a are not connected, different potentials can be applied to the respective electrodes.

図16に示すように、チャネル幅方向において、半導体層201の側面と電極203b
とが対向することで、さらには、チャネル幅方向において、ゲート電極203a及び電極
203bが、ゲート絶縁膜202及び絶縁膜214、絶縁膜216及び絶縁膜218を介
して半導体層201を囲むことで、半導体層201においてキャリアの流れる領域が、ゲ
ート絶縁膜202及び絶縁膜214と半導体層201との界面のみでなく、半導体層20
1の内部においてもキャリアが流れるため、トランジスタ100におけるキャリアの移動
量が増加する。この結果、トランジスタ100のオン電流が大きくなると共に、電界効果
移動度が高くなる。また、電極203bの電界が半導体層201の側面、または側面及び
その近傍を含む端部に影響するため、半導体層201の側面または端部における寄生チャ
ネルの発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 16, in the channel width direction, the side surface of the semiconductor layer 201 and the electrode 203b
In addition, in the channel width direction, the gate electrode 203a and the electrode 203b surround the semiconductor layer 201 via the gate insulating film 202 and the insulating film 214, and the insulating film 216 and the insulating film 218. Carriers flow in the semiconductor layer 201 not only at the interface between the gate insulating film 202 and the insulating film 214 and the semiconductor layer 201, but also at the interface between the semiconductor layer 201 and the semiconductor layer 201.
1 also flows, the amount of carrier movement in the transistor 100 increases. As a result, the ON current of the transistor 100 increases and the field effect mobility increases. In addition, since the electric field of the electrode 203b affects the side surface of the semiconductor layer 201 or the edge including the side surface and its vicinity, the occurrence of parasitic channels at the side surface or the edge of the semiconductor layer 201 can be suppressed.

また図16では、半導体層201の例として、半導体層201a上に半導体層201b
を積層する構成を示す。ここで例えば半導体層201bは、半導体層201aよりも伝導
帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、半導体層201bの伝導帯の下端
のエネルギーと、半導体層201aの伝導帯の下端のエネルギーとの差が、0.05eV
以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV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、半導体層201bの
電子親和力と、半導体層201aの電子親和力との差が、0.05eV以上、0.07e
V以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.
5eV以下、または0.4eV以下である。
Further, in FIG. 16, as an example of the semiconductor layer 201, a semiconductor layer 201b is formed on the semiconductor layer 201a.
shows a configuration for stacking Here, for example, in the semiconductor layer 201b, the energy at the bottom of the conduction band is closer to the vacuum level than the semiconductor layer 201a. The difference from the lower end energy is 0.05 eV
0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more and 2 eV or less,
It is 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the semiconductor layer 201b and the electron affinity of the semiconductor layer 201a is 0.05 eV or more and 0.07 eV.
V or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.
5 eV or less, or 0.4 eV or less.

半導体層201aとして、実施の形態3で示す半導体層101bを参照してもよい。例
えば半導体層101bの有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲に
ついて参照してもよい。また、半導体層201bとして、実施の形態3で示す絶縁体層1
01cを参照してもよい。例えば、絶縁体層101cの有するインジウム、元素M及び亜
鉛の原子数比の好ましい範囲について参照してもよい。
The semiconductor layer 101b described in Embodiment 3 may be referred to as the semiconductor layer 201a. For example, the preferred range of the atomic ratio of indium, the element M, and zinc in the semiconductor layer 101b may be referred to. Further, the insulator layer 1 described in Embodiment 3 is used as the semiconductor layer 201b.
01c. For example, a preferred range of atomic ratios of indium, the element M, and zinc in the insulator layer 101c may be referred to.

[トランジスタの変形例]
トランジスタ100の変形例を図30乃至図33に示す。例えばトランジスタ100は
、図30に示す構造でもよい。図30は、導電層104a及び導電層104bの形状が図
12と異なる。なお、図30(B)は、図30(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図3
0(A)と垂直な面の断面を示す。
[Transistor modification]
Modifications of the transistor 100 are shown in FIGS. 30 to 33. FIG. For example, the transistor 100 may have the structure shown in FIG. FIG. 30 differs from FIG. 12 in the shapes of the conductive layers 104a and 104b. Note that FIG. 30(B) passes through the dashed dotted line AB shown in FIG. 30(A),
A cross-section of a plane perpendicular to 0(A) is shown.

また、トランジスタ100は図31に示す構造でもよい。図12では、絶縁体層101
cが導電層104a及び導電層104bの上面に接するのに対し、図31では、導電層1
04a及び導電層104bの下面に接する。なお、図31(B)は、図31(A)に示す
一点鎖線A-Bを通り、図31(A)と垂直な面の断面を示す。このような構成とするこ
とで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cを構成するそれぞれの
膜の成膜時において、大気に触れさせることなく連続的に成膜することができるため、各
々の界面欠陥を低減することができる。
Alternatively, the transistor 100 may have the structure shown in FIG. In FIG. 12, insulator layer 101
c touches the upper surfaces of the conductive layers 104a and 104b, whereas in FIG.
04a and the lower surfaces of the conductive layer 104b. Note that FIG. 31(B) shows a cross section of a plane perpendicular to FIG. 31(A) through the dashed-dotted line AB shown in FIG. 31(A). With such a structure, the films forming the insulating layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulating layer 101c can be formed continuously without being exposed to the atmosphere. , the respective interface defects can be reduced.

また、トランジスタ100は、図32に示す構造でもよい。なお、図32(B)は、図
32(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図32(A)と垂直な面の断面を示す。図32
は、導電層104a及び導電層104bを有さない点が、図12と異なる。ここで図32
(C)に示すように、トランジスタ100は低抵抗層171a及び低抵抗層171bを有
してもよい。低抵抗層171a及び低抵抗層171bはソース領域またはドレイン領域と
して機能することが好ましい。また、低抵抗層171a及び低抵抗層171bは不純物が
添加されていてもよい。不純物を添加することにより半導体層101の抵抗を下げること
ができる。添加する不純物としては、例えばアルゴン、ホウ素、炭素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム
、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、イットリウム、
ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム
、ハフニウム、タンタル、タングステンから選択された一種以上を添加することが好まし
い。低抵抗層171a及び低抵抗層171bは例えば、半導体層101中に、上述の不純
物元素を5×1019atoms/cm以上、好ましくは1×1020atoms/c
以上、さらに好ましくは2×1020atoms/cm以上、より好ましくは5×
1020atoms/cm以上含む領域である。図32(D)は、図32(C)の領域
324の拡大図である。
Alternatively, the transistor 100 may have the structure shown in FIG. Note that FIG. 32(B) shows a cross section of a plane perpendicular to FIG. 32(A) through the dashed-dotted line AB shown in FIG. 32(A). Figure 32
is different from FIG. 12 in that it does not have the conductive layer 104a and the conductive layer 104b. Figure 32
As shown in (C), the transistor 100 may include a low-resistance layer 171a and a low-resistance layer 171b. The low-resistance layers 171a and 171b preferably function as source and drain regions. Impurities may be added to the low-resistance layers 171a and 171b. By adding impurities, the resistance of the semiconductor layer 101 can be lowered. Impurities to be added include, for example, argon, boron, carbon, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, calcium, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, germanium, arsenic, yttrium,
It is preferable to add one or more selected from zirconium, niobium, molybdenum, indium, tin, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum and tungsten. In the low-resistance layers 171a and 171b, for example, the above impurity element is added to the semiconductor layer 101 at a concentration of 5×10 19 atoms/cm 3 or more, preferably 1×10 20 atoms/cm.
m 3 or more, more preferably 2×10 20 atoms/cm 3 or more, more preferably 5×
It is a region containing 10 20 atoms/cm 3 or more. FIG. 32(D) is an enlarged view of region 324 in FIG. 32(C).

なお、このような抵抗の低い領域に不純物、例えば不要な水素などをトラップできる場
合がある。不要な水素を低抵抗層にトラップすることによりチャネル領域の水素濃度を低
くし、トランジスタ100の特性として、良好な特性を得ることができる。
In some cases, impurities such as unnecessary hydrogen can be trapped in such a low-resistance region. By trapping unnecessary hydrogen in the low-resistance layer, the hydrogen concentration in the channel region can be lowered, and favorable characteristics of the transistor 100 can be obtained.

また、トランジスタ100は、図33に示す構造でもよい。図33は、絶縁体層101
cとゲート絶縁膜102の形状が図32と異なる。なお、図33(B)は、図33(A)
に示す一点鎖線A-Bを通り、図33(A)と垂直な面の断面を示す。
Alternatively, the transistor 100 may have the structure shown in FIG. FIG. 33 shows the insulator layer 101
c and the shape of the gate insulating film 102 are different from those in FIG. Note that FIG. 33(B) is the same as FIG.
33A is a cross section of a plane perpendicular to FIG.

また、図30乃至図33に示した構造では、半導体層101bに接して絶縁体層101
a及び絶縁体層101cを設ける構成を説明したが、絶縁体層101aまたは絶縁体層1
01cの一方、またはその両方を設けない構成としてもよい。
In addition, in the structures shown in FIGS. 30 to 33, the insulator layer 101 is in contact with the semiconductor layer 101b.
a and the insulator layer 101c have been described, but the insulator layer 101a or the insulator layer 1
01c or both may be omitted.

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4)
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する表示装置の
一例について、図34乃至図36を用いて以下説明を行う。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a display device including the transistors described in the above embodiments will be described below with reference to FIGS.

図34は、表示装置の一例を示す上面図である。図34示す表示装置700は、第1の
基板701上に設けられた画素部702と、第1の基板701に設けられたソースドライ
バ回路部704及びゲートドライバ回路部706と、画素部702、ソースドライバ回路
部704、及びゲートドライバ回路部706を囲むように配置されるシール材712と、
第1の基板701に対向するように設けられる第2の基板705と、を有する。なお、第
1の基板701と第2の基板705は、シール材712によって封止されている。すなわ
ち、画素部702、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706は、
第1の基板701とシール材712と第2の基板705によって封止されている。なお、
図34には図示しないが、第1の基板701と第2の基板705の間には表示素子が設け
られる。
FIG. 34 is a top view showing an example of a display device. A display device 700 shown in FIG. 34 includes a pixel portion 702 provided over a first substrate 701, a source driver circuit portion 704 and a gate driver circuit portion 706 provided over the first substrate 701, the pixel portion 702, a source a sealing material 712 arranged to surround the driver circuit portion 704 and the gate driver circuit portion 706;
and a second substrate 705 provided to face the first substrate 701 . Note that the first substrate 701 and the second substrate 705 are sealed with a sealing material 712 . That is, the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 are
It is sealed with a first substrate 701 , a sealing material 712 and a second substrate 705 . note that,
Although not shown in FIG. 34, a display element is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705 .

また、表示装置700は、第1の基板701上のシール材712によって囲まれている
領域とは異なる領域に、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回
路部706、及びゲートドライバ回路部706と電気的に接続されるFPC端子部708
(FPC:Flexible printed circuit)が設けられる。また、
FPC端子部708には、FPC716が接続され、FPC716によって画素部702
、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706に各種信号等が供給さ
れる。また、画素部702、ソースドライバ回路部704、ゲートドライバ回路部706
、及びFPC端子部708には、信号線710が各々接続されている。FPC716によ
り供給される各種信号等は、信号線710を介して、画素部702、ソースドライバ回路
部704、及びゲートドライバ回路部706に与えられる。
In the display device 700, a pixel portion 702, a source driver circuit portion 704, a gate driver circuit portion 706, and a gate driver circuit portion are provided in a region different from the region surrounded by the sealant 712 over the first substrate 701. FPC terminal portion 708 electrically connected to 706
(FPC: Flexible printed circuit) is provided. again,
An FPC 716 is connected to the FPC terminal portion 708 , and the pixel portion 702 is connected by the FPC 716 .
, a source driver circuit portion 704, and a gate driver circuit portion 706 are supplied with various signals and the like. In addition, a pixel portion 702, a source driver circuit portion 704, and a gate driver circuit portion 706
, and the FPC terminal portion 708 are connected to signal lines 710, respectively. Various signals and the like supplied from the FPC 716 are applied to the pixel portion 702 , the source driver circuit portion 704 , and the gate driver circuit portion 706 through the signal line 710 .

また、表示装置700にゲートドライバ回路部706を複数設けてもよい。また、表示
装置700としては、ソースドライバ回路部704、及びゲートドライバ回路部706を
画素部702と同じ第1の基板701に形成している例を示しているが、この構成に限定
されない。例えば、ゲートドライバ回路部706のみを第1の基板701に形成しても良
い、またはソースドライバ回路部704のみを第1の基板701に形成しても良い。この
場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板(例えば、単結
晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を、第1の基板701に実装す
る構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるも
のではなく、COG(Chip On Glass)方法、ワイヤボンディング方法など
を用いることができる。
Further, a plurality of gate driver circuit portions 706 may be provided in the display device 700 . Further, as the display device 700, an example in which the source driver circuit portion 704 and the gate driver circuit portion 706 are formed over the same first substrate 701 as the pixel portion 702 is shown; however, the structure is not limited to this. For example, only the gate driver circuit portion 706 may be formed over the first substrate 701 or only the source driver circuit portion 704 may be formed over the first substrate 701 . In this case, a substrate on which a source driver circuit, a gate driver circuit, or the like is formed (for example, a driving circuit substrate formed of a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film) may be mounted on the first substrate 701 . . The method of connecting the separately formed drive circuit board is not particularly limited, and a COG (Chip On Glass) method, a wire bonding method, or the like can be used.

また、表示装置700が有する画素部702、ソースドライバ回路部704及びゲート
ドライバ回路部706は、配線部、または複数のトランジスタを有しており、本発明の一
態様の半導体装置を適用することができる。
Wiring portions or a plurality of transistors are included in the pixel portion 702, the source driver circuit portion 704, and the gate driver circuit portion 706 included in the display device 700, and the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be applied. can.

また、表示装置700は、様々な素子を有することが出来る。該素子は、例えば、液晶
素子、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機
EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LED
など)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、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(P
DP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、
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、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクト
ロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表
示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的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よい
。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素
子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又
はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface-conduction E
lectron-emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示
装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディス
プレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)
などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパ
ーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場
合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすれば
よい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するよう
にすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けるこ
とも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
Also, the display device 700 can have various elements. The element is, for example, a liquid crystal element, an EL (electroluminescence) element (an EL element containing organic and inorganic substances, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED, blue LED).
etc.), transistors (transistors that emit light according to current), electron-emitting devices, electronic ink, electrophoretic devices, grating light valves (GLV), plasma displays (P
DP), display elements using MEMS (micro-electro-mechanical systems),
digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display element, electrowetting It has at least one of a display element using a lighting element, a piezoelectric ceramic display, and a display element using carbon nanotubes. 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-conduction E
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 displays, reflective liquid crystal displays, direct view liquid crystal displays, and projection liquid crystal displays).
and so on. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper. In order to realize a semi-transmissive liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrodes may function as reflective electrodes. For example, part or all of the pixel electrode may comprise aluminum, silver, or the like. Furthermore, in that case, it is also possible to provide a storage circuit such as an SRAM under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced.

なお、表示装置700における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式
等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、R
GB(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、Rの画素とGの
画素とBの画素とW(白)の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配
列のように、RGBのうちの2色分で一つの色要素を構成し、色要素よって、異なる2色
を選択して構成してもよい。またはRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上
追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい
。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表
示の表示装置に適用することもできる。
Note that the display method in the display device 700 can be a progressive method, an interlace method, or the like. In addition, R
It is not limited to three colors of GB (R for red, G for green, and B for blue). For example, it may be composed of four pixels: an R pixel, a G pixel, a B pixel, and a W (white) pixel. Alternatively, like a pentile array, one color element may be composed of two colors of RGB, and two different colors may be selected according to the color element. Alternatively, one or more colors such as yellow, cyan, and magenta may be added to RGB. Note that the size of the display area may be different for each dot of the color element. However, the disclosed invention is not limited to a color display device and can also be applied to a monochrome display device.

また、バックライト(有機EL素子、無機EL素子、LED、蛍光灯など)に白色光(
W)を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層(カラーフィルタともいう
。)を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド(R)、グリーン(G)、ブルー(B)
、イエロー(Y)などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、
着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を
有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領
域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置
することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を2割
から3割程度低減できる場合がある。ただし、有機EL素子や無機EL素子などの自発光
素子を用いてフルカラー表示する場合、R、G、B、Y、ホワイト(W)を、それぞれの
発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用
いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。
In addition, white light (
A colored layer (also referred to as a color filter) may be used in order to display full color on the display device using W). The colored layers are, for example, red (R), green (G), blue (B)
, yellow (Y), etc. can be used in combination. By using a colored layer,
Color reproducibility can be improved as compared with the case where the colored layer is not used. At this time, by arranging a region having a colored layer and a region having no colored layer, the white light in the region having no colored layer may be directly used for display. By arranging a region having no colored layer in part, a decrease in luminance due to the colored layer can be reduced in bright display, and power consumption can be reduced by about 20% to 30% in some cases. However, when full-color display is performed using a self-luminous element such as an organic EL element or an inorganic EL element, R, G, B, Y, and white (W) may be emitted from elements having the respective emission colors. . By using a self-luminous element, power consumption can be further reduced in some cases as compared to the case where a colored layer is used.

本実施の形態においては、表示素子として液晶素子及びEL素子を用いる構成について
、図35及び図36を用いて説明する。なお、図35は、図34に示す一点鎖線Q-Rに
おける断面図であり、表示素子として液晶素子を用いた構成である。また、図36は、図
34に示す一点鎖線Q-Rにおける断面図であり、表示素子としてEL素子を用いた構成
である。
In this embodiment mode, a structure using a liquid crystal element and an EL element as a display element will be described with reference to FIGS. Note that FIG. 35 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line QR shown in FIG. 34, and shows a structure using a liquid crystal element as a display element. FIG. 36 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line QR shown in FIG. 34, and shows a configuration using an EL element as a display element.

まず、図35及び図36に示す共通部分について最初に説明し、次に異なる部分につい
て以下説明する。
First, the common parts shown in FIGS. 35 and 36 will be explained first, and then the different parts will be explained below.

[表示装置の共通部分に関する説明]
図35及び図36に示す表示装置700は、引き回し配線部711と、画素部702と
、ソースドライバ回路部704と、FPC端子部708と、を有する。また、引き回し配
線部711は、信号線710を有する。また、画素部702は、トランジスタ750及び
容量素子790(容量素子790aまたは容量素子790b)を有する。また、ソースド
ライバ回路部704は、トランジスタ752を有する。
[Description of Common Parts of Display Device]
A display device 700 shown in FIGS. 35 and 36 has a routing wiring portion 711 , a pixel portion 702 , a source driver circuit portion 704 , and an FPC terminal portion 708 . In addition, the routing wiring portion 711 has a signal line 710 . The pixel portion 702 also includes a transistor 750 and a capacitor 790 (the capacitor 790a or the capacitor 790b). The source driver circuit portion 704 also includes a transistor 752 .

また、信号線710は、トランジスタ750、752のソース電極及びドレイン電極と
して機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線710は、トランジスタ75
0、752のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲー
ト電極として機能する導電膜としてもよい。信号線710として、例えば、銅元素を含む
材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能とな
る。
In addition, the signal line 710 is formed in the same process as the conductive films functioning as the source and drain electrodes of the transistors 750 and 752 . Note that the signal line 710 is connected to the transistor 75
A conductive film formed in a process different from that of the source and drain electrodes of 0.752, for example, a conductive film functioning as a gate electrode may be used. For example, when a material containing a copper element is used as the signal line 710, signal delay due to wiring resistance is small, and display on a large screen is possible.

トランジスタ750及びトランジスタ752は、先に示すトランジスタを用いることが
できる。ここではトランジスタ750及びトランジスタ752に図13に示すトランジス
タ100の構造を用いる例を示すが、先に示す他のトランジスタを用いてもよい。
The transistors described above can be used for the transistors 750 and 752 . Here, an example in which the structure of the transistor 100 illustrated in FIG. 13 is used for the transistors 750 and 752 is shown; however, other transistors described above may be used.

また、トランジスタ750及びトランジスタ752に、例えば図16に示すトランジス
タ100の構造を用いてもよい。この場合には、電極203bは、例えば導電層772や
、導電層784の形成と同じ工程を用いて形成することができる。図16に示すトランジ
スタ100の構造を用いることにより、例えばトランジスタ750及びトランジスタ75
2のオン電流を高めることができ、回路動作速度を高めることができる。また、トランジ
スタ750やトランジスタ752のチャネル幅を縮小できる場合があり、回路の集積化が
可能となる。
Alternatively, the structure of the transistor 100 illustrated in FIG. 16 may be used for the transistors 750 and 752, for example. In this case, the electrode 203b can be formed using the same process as the formation of the conductive layers 772 and 784, for example. By using the structure of transistor 100 shown in FIG. 16, for example, transistor 750 and transistor 75
2 can be increased, and the circuit operating speed can be increased. In addition, the channel widths of the transistors 750 and 752 can be reduced in some cases, which enables circuit integration.

本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物
半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値(オフ電流値)を低くす
ることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源
オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なく
することができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
The transistor used in this embodiment includes a highly purified oxide semiconductor film in which formation of oxygen vacancies is suppressed. The transistor can have a low current value in an off state (off current value). Therefore, the holding time of an electric signal such as an image signal can be lengthened, and the writing interval can be set long in the power-on state. Therefore, the frequency of the refresh operation can be reduced, which has the effect of suppressing power consumption.

また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるた
め、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表
示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するド
ライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路とし
て、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置
の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトラン
ジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
In addition, since the transistor used in this embodiment mode has relatively high field-effect mobility, it can be driven at high speed. For example, by using such a transistor that can be driven at high speed in a liquid crystal display device, a switching transistor in a pixel portion and a driver transistor used in a driver circuit portion can be formed over the same substrate. That is, since it is not necessary to use a semiconductor device formed of a silicon wafer or the like as a separate drive circuit, the number of parts of the semiconductor device can be reduced. Also in the pixel portion, a high-quality image can be provided by using a transistor that can be driven at high speed.

また、FPC端子部708は、接続電極760、異方性導電層780、及びFPC71
6を有する。なお、接続電極760は、トランジスタ750、752のソース電極及びド
レイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極760は、F
PC716が有する端子と異方性導電層780を介して、電気的に接続される。
In addition, the FPC terminal portion 708 includes a connection electrode 760, an anisotropic conductive layer 780, and an FPC 71.
6. Note that the connection electrode 760 is formed in the same step as the conductive films functioning as source and drain electrodes of the transistors 750 and 752 . In addition, the connection electrode 760 is F
The terminals of the PC 716 are electrically connected through the anisotropic conductive layer 780 .

また、第1の基板701及び第2の基板705としては、例えばガラス基板を用いるこ
とができる。また、第1の基板701及び第2の基板705として、可撓性を有する基板
を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられ
る。
As the first substrate 701 and the second substrate 705, for example, glass substrates can be used. Alternatively, flexible substrates may be used as the first substrate 701 and the second substrate 705 . Examples of the flexible substrate include plastic substrates.

可撓性を有する基板を用いることにより、可撓性を有する表示装置を作製することがで
きる。表示装置が可撓性を有することにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可
能となり、多種多様の用途が実現する。
By using a flexible substrate, a flexible display device can be manufactured. Since the display device has flexibility, it becomes possible to attach it to a curved surface or an irregular shape, and a wide variety of applications are realized.

例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板を用いることにより、表示装置の薄
膜化及び軽量化が可能となる。また、例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板
を用いた表示装置は割れにくく、例えば落下時の衝撃に対する耐久性を向上することがで
きる。
For example, by using a flexible substrate such as a plastic substrate, it is possible to reduce the thickness and weight of the display device. In addition, a display device using a flexible substrate such as a plastic substrate is less likely to break, and can have improved durability against impact when dropped, for example.

また、第2の基板705側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜738と、
カラーフィルタとして機能する着色膜736と、遮光膜738及び着色膜736に接する
絶縁膜734が設けられる。
Further, on the second substrate 705 side, a light shielding film 738 functioning as a black matrix,
A colored film 736 functioning as a color filter and an insulating film 734 in contact with the light shielding film 738 and the colored film 736 are provided.

また、第1の基板701と第2の基板705の間には、構造体778が設けられる。構
造体778は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、
第1の基板701と第2の基板705の間の距離(セルギャップ)を制御するために設け
られる。なお、構造体778として、球状のスペーサを用いていても良い。また、図35
においては、構造体778を第2の基板705側に設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、図36に示すように第1の基板701側に構造体778を設け
る構成、または第1の基板701及び第2の基板705双方に構造体778を設ける構成
としてもよい。
A structure 778 is provided between the first substrate 701 and the second substrate 705 . A structure 778 is a columnar spacer obtained by selectively etching an insulating film.
It is provided to control the distance (cell gap) between the first substrate 701 and the second substrate 705 . Note that a spherical spacer may be used as the structure 778 . Also, FIG.
4 illustrates the structure in which the structure 778 is provided on the second substrate 705 side; however, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 36, a structure in which the structure 778 is provided on the first substrate 701 side or a structure in which the structure 778 is provided on both the first substrate 701 and the second substrate 705 may be employed.

また、図35及び図36において、トランジスタ750及びトランジスタ752上に、
絶縁膜764、766、768が設けられている。
35 and 36, over the transistors 750 and 752,
Insulating films 764, 766, and 768 are provided.

絶縁膜764、766、768としては、それぞれ先の実施の形態に示す絶縁膜214
、216、218と、同様の材料及び作製方法により形成することができる。
As the insulating films 764, 766, and 768, the insulating films 214 described in the above embodiments are used.
, 216 and 218 can be formed using the same material and fabrication method.

[表示素子として液晶素子を用いる表示装置の構成例]
図35に示す表示装置700は、容量素子790aを有する。容量素子790aは、一
対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790aの一方の電極
としては、トランジスタ750の半導体層として機能する酸化物半導体膜と同一の工程を
経て形成された導電性の高い酸化物半導体膜を用い、容量素子790aの他方の電極とし
ては、トランジスタ750と電気的に接続される導電層772を用いる。また、一対の電
極間に挟持される誘電体としては、絶縁膜768を用いる。
[Configuration example of a display device using a liquid crystal element as a display element]
A display device 700 illustrated in FIG. 35 includes a capacitor 790a. The capacitor 790a has a structure having a dielectric between a pair of electrodes. More specifically, as one electrode of the capacitor 790a, a highly conductive oxide semiconductor film formed through the same process as the oxide semiconductor film functioning as the semiconductor layer of the transistor 750 is used. As the other electrode, a conductive layer 772 electrically connected to the transistor 750 is used. An insulating film 768 is used as a dielectric sandwiched between the pair of electrodes.

ここで、容量素子790aの一対の電極の一方として機能する導電性の高い酸化物半導
体膜について、以下説明を行う。
Here, the highly conductive oxide semiconductor film that functions as one of the pair of electrodes of the capacitor 790a is described below.

[導電性の高い酸化物半導体膜について]
酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り
伝導帯近傍にドナー準位が形成される。この結果、酸化物半導体は、導電性が高くなり、
導電体化する。導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体ということができる。一般に
、酸化物半導体は、エネルギーギャップが大きいため、可視光に対して透光性を有する。
一方、酸化物導電体は、伝導帯近傍にドナー準位を有する酸化物半導体である。したがっ
て、該ドナー準位による吸収の影響は小さく、可視光に対して酸化物半導体と同程度の透
光性を有する。
[About highly conductive oxide semiconductor film]
When hydrogen is added to an oxide semiconductor in which oxygen vacancies are formed, hydrogen enters the oxygen vacancy sites and a donor level is formed near the conduction band. As a result, the oxide semiconductor becomes highly conductive,
Make it conductive. A conductive oxide semiconductor can be referred to as an oxide conductor. In general, an oxide semiconductor has a large energy gap and thus has a property of transmitting visible light.
On the other hand, an oxide conductor is an oxide semiconductor having a donor level near the conduction band. Therefore, the effect of absorption due to the donor level is small, and the material has a visible light-transmitting property similar to that of an oxide semiconductor.

ここで、酸化物半導体で形成される膜(以下、酸化物半導体膜(OS)という。)及び
酸化物導電体で形成される膜(以下、酸化物導電体膜(OC)という。)それぞれにおけ
る、抵抗率の温度依存性について説明する。
Here, in each of a film formed using an oxide semiconductor (hereinafter referred to as an oxide semiconductor film (OS)) and a film formed using an oxide conductor (hereinafter referred to as an oxide conductor film (OC)), , describes the temperature dependence of the resistivity.

酸化物導電体膜(OC)における抵抗率の温度依存性は、酸化物半導体膜(OS)にお
ける抵抗率の温度依存性より小さい。代表的には、80K以上290K以下における酸化
物半導体膜(OC)の抵抗率の変化率は、±20%未満である。または、150K以上2
50K以下における抵抗率の変化率は、±10%未満である。即ち、酸化物導電体は、縮
退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。
このため、酸化物導電体膜を、容量素子790aの一方の電極に用いることが可能である
。ここで酸化物導電体膜は、例えばIn-M-Zn酸化物上に窒化シリコンを形成するこ
とにより、形成することができる。
The temperature dependence of resistivity in the oxide conductor film (OC) is smaller than the temperature dependence of resistivity in the oxide semiconductor film (OS). Typically, the change rate of the resistivity of the oxide semiconductor film (OC) is less than ±20% at 80 K or more and 290 K or less. Or 150K or more 2
The change in resistivity below 50K is less than ±10%. That is, the oxide conductor is a degenerate semiconductor, and it is presumed that the conduction band edge and the Fermi level coincide or substantially coincide.
Therefore, an oxide conductor film can be used for one electrode of the capacitor 790a. Here, the oxide conductor film can be formed, for example, by forming silicon nitride on the In--M--Zn oxide.

また、図35に示す表示装置700は、液晶素子775を有する。液晶素子775は、
導電層772、導電層774、及び液晶層776を有する。導電層774は、第2の基板
705側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図35に示す表示装置700は、
導電層772と導電層774に印加される電圧によって、液晶層776の配向状態が変わ
ることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
The display device 700 shown in FIG. 35 also includes a liquid crystal element 775 . The liquid crystal element 775 is
It has a conductive layer 772 , a conductive layer 774 , and a liquid crystal layer 776 . The conductive layer 774 is provided on the second substrate 705 side and functions as a counter electrode. The display device 700 shown in FIG.
The voltage applied to the conductive layer 772 and the conductive layer 774 changes the orientation state of the liquid crystal layer 776, whereby transmission and non-transmission of light are controlled and an image can be displayed.

また、導電層772は、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極とし
て機能する導電膜に接続される。導電層772は、絶縁膜768上に形成され画素電極、
すなわち表示素子の一方の電極として機能する。
In addition, the conductive layer 772 is connected to conductive films functioning as source and drain electrodes of the transistor 750 . A conductive layer 772 is formed over the insulating film 768 and serves as a pixel electrode,
That is, it functions as one electrode of the display element.

導電層772としては、例えばインジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウ
ム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム
酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを
添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いることができる。
Examples of the conductive layer 772 include indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, and indium zinc oxide. A light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used.

なお、図35において図示しないが、導電層772、774の液晶層776と接する側
に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図35において図示しないが、偏
光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材(光学基板)などは適宜設けてもよい
。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバッ
クライト、サイドライトなどを用いてもよい。
Although not shown in FIG. 35, alignment films may be provided on the sides of the conductive layers 772 and 774 that are in contact with the liquid crystal layer 776 . Although not shown in FIG. 35, optical members (optical substrates) such as a polarizing member, a retardation member, and an antireflection member may be provided as appropriate. For example, circularly polarized light using a polarizing substrate and a retardation substrate may be used. Moreover, a backlight, a sidelight, or the like may be used as the light source.

表示素子として液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液
晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これら
の液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイ
ラルネマチック相、等方相等を示す。
When a liquid crystal element is used as a display element, thermotropic liquid crystal, low-molecular-weight liquid crystal, polymer liquid crystal, polymer-dispersed liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, etc., depending on conditions.

また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよ
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリ
ック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発
現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組
成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、
応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい
。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によ
って引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や
破損を軽減することができる。
In the case of adopting the horizontal electric field method, a liquid crystal exhibiting a blue phase without using an alignment film may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases, and is a phase that appears immediately before the cholesteric phase transitions to the isotropic phase when the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased. Since the blue phase is expressed only in a narrow temperature range, a liquid crystal composition containing several weight percent or more of a chiral agent is used for the liquid crystal layer in order to improve the temperature range. A liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent is
Since it has a short response speed and is optically isotropic, it does not require alignment treatment and has little viewing angle dependency. In addition, rubbing treatment is not required because an alignment film is not required, so that electrostatic damage caused by rubbing treatment can be prevented, and defects and breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. .

また、表示素子として液晶素子を用いる場合、TN(Twisted Nematic
)モード、IPS(In-Plane-Switching)モード、FFS(Frin
ge Field Switching)モード、ASM(Axially Symme
tric aligned Micro-cell)モード、OCB(Optical
Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroe
lectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerr
oelectric Liquid Crystal)モードなどを用いることができる
When a liquid crystal element is used as a display element, TN (Twisted Nematic
) mode, IPS (In-Plane-Switching) mode, FFS (Frin
ge Field Switching) mode, ASM (Axially Symme
tri-aligned Micro-cell) mode, OCB (Optical
Compensated Birefringence) mode, FLC (Ferroe
lectric Liquid Crystal) mode, AFLC (Anti-Ferr
(electrical Liquid Crystal) mode or the like can be used.

また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向(VA)モードを採用し
た透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが
、例えば、MVA(Multi-Domain Vertical Alignment
)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モー
ド、ASVモードなどを用いることができる。
Alternatively, a normally black liquid crystal display device, for example, a transmissive liquid crystal display device employing a vertical alignment (VA) mode may be used. Some vertical alignment modes include, for example, MVA (Multi-Domain Vertical Alignment
) mode, PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, ASV mode, and the like can be used.

[表示素子として発光素子を用いる表示装置]
図36に示す表示装置700は、容量素子790bを有する。容量素子790bは、一
対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子790bの一方の電極
としては、トランジスタ750のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成され
た導電膜を用い、容量素子790bの他方の電極としては、トランジスタ750のソース
電極またはドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持され
る誘電体としては、トランジスタ750のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。
[Display Device Using Light Emitting Element as Display Element]
A display device 700 illustrated in FIG. 36 includes a capacitor 790b. The capacitor 790b has a structure having a dielectric between a pair of electrodes. In more detail, one electrode of the capacitor 790b is a conductive film formed in the same step as the conductive film functioning as the gate electrode of the transistor 750, and the other electrode of the capacitor 790b is the source of the transistor 750. A conductive film that functions as an electrode or a drain electrode is used. As a dielectric sandwiched between the pair of electrodes, an insulating film functioning as a gate insulating film of the transistor 750 is used.

また、図36において、絶縁膜768上に平坦化絶縁膜770が設けられている。 Further, in FIG. 36, a planarization insulating film 770 is provided over the insulating film 768 .

平坦化絶縁膜770としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂
、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料
を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで
、平坦化絶縁膜770を形成してもよい。また、図35に示すように、平坦化絶縁膜77
0を設けない構成としてもよい。
As the planarization insulating film 770, a heat-resistant organic material such as polyimide resin, acrylic resin, polyimideamide resin, benzocyclobutene resin, polyamide resin, or epoxy resin can be used. Note that the planarization insulating film 770 may be formed by stacking a plurality of insulating films formed using these materials. Moreover, as shown in FIG.
A configuration in which 0 is not provided may be adopted.

また、図36に示す表示装置700は、発光素子782を有する。発光素子782は、
導電層784、EL層786、及び導電層788を有する。図36に示す表示装置700
は、発光素子782が有するEL層786が発光することによって、画像を表示すること
ができる。
The display device 700 illustrated in FIG. 36 also includes a light-emitting element 782 . The light emitting element 782 is
It has a conductive layer 784 , an EL layer 786 , and a conductive layer 788 . Display device 700 shown in FIG.
can display an image by light emission of the EL layer 786 included in the light-emitting element 782 .

また、導電層784は、トランジスタ750が有するソース電極及びドレイン電極とし
て機能する導電膜に接続される。導電層784は、平坦化絶縁膜770上に形成され画素
電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。導電層784としては、可視光に
おいて透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることがで
きる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛
(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において
反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよ
い。
In addition, the conductive layer 784 is connected to conductive films functioning as source and drain electrodes of the transistor 750 . The conductive layer 784 is formed over the planarization insulating film 770 and functions as a pixel electrode, that is, one electrode of a display element. As the conductive layer 784, a conductive film that transmits visible light or a conductive film that reflects visible light can be used. For the conductive film that transmits visible light, for example, a material containing one selected from indium (In), zinc (Zn), and tin (Sn) is preferably used. For the conductive film that reflects visible light, a material containing aluminum or silver is preferably used, for example.

また、図36に示す表示装置700には、平坦化絶縁膜770及び導電層784上に絶
縁膜730が設けられる。絶縁膜730は、導電層784の一部を覆う。なお、発光素子
782はトップエミッション構造である。したがって、導電層788は透光性を有し、E
L層786が発する光を透過する。なお、本実施の形態においては、トップエミッション
構造について、例示するが、これに限定されない。例えば、導電層784側に光を射出す
るボトムエミッション構造や、導電層784及び導電層788の双方に光を射出するデュ
アルエミッション構造にも適用することができる。
In addition, the insulating film 730 is provided over the planarization insulating film 770 and the conductive layer 784 in the display device 700 illustrated in FIG. The insulating film 730 partially covers the conductive layer 784 . Note that the light emitting element 782 has a top emission structure. Therefore, the conductive layer 788 has translucency, and E
It transmits light emitted by the L layer 786 . In addition, although the top emission structure is illustrated in the present embodiment, the present invention is not limited to this. For example, a bottom emission structure in which light is emitted to the conductive layer 784 side and a dual emission structure in which light is emitted to both the conductive layer 784 and the conductive layer 788 can be applied.

また、発光素子782と重なる位置に、着色膜736が設けられ、絶縁膜730と重な
る位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設け
られている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。ま
た、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図36
に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色
膜736を設けない構成としてもよい。
A colored film 736 is provided at a position overlapping with the light emitting element 782 , and a light shielding film 738 is provided at a position overlapping with the insulating film 730 , the lead wiring portion 711 , and the source driver circuit portion 704 . In addition, the colored film 736 and the light shielding film 738 are covered with an insulating film 734 . A sealing film 732 is filled between the light emitting element 782 and the insulating film 734 . In addition, Fig. 36
Although the structure in which the colored film 736 is provided is illustrated in the display device 700 shown in , the present invention is not limited to this. For example, in the case where the EL layer 786 is formed separately, the colored film 736 may not be provided.

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示装置について、図26を
用いて説明を行う。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a display device including a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図26(A)に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域(以下、画素部502と
いう)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(
以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路50
6という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成とし
てもよい。
The display device shown in FIG. 26A includes a region having pixels of display elements (hereinafter referred to as a pixel portion 502) and a circuit portion (hereinafter referred to as a pixel portion 502) which is arranged outside the pixel portion 502 and has a circuit for driving the pixels.
hereinafter referred to as a drive circuit portion 504) and a circuit having an element protection function (hereinafter referred to as a protection circuit 504).
6) and a terminal portion 507 . Note that the protection circuit 506 may be omitted.

駆動回路部504の一部、または全部は、画素部502と同一基板上に形成されている
ことが望ましい。これにより、部品数や端子数を減らすことが出来る。駆動回路部504
の一部、または全部が、画素部502と同一基板上に形成されていない場合には、駆動回
路部504の一部、または全部は、COGやTAB(Tape Automated B
onding)によって、実装することができる。
Part or all of the driver circuit portion 504 is preferably formed over the same substrate as the pixel portion 502 . This makes it possible to reduce the number of components and the number of terminals. Drive circuit section 504
is not formed on the same substrate as the pixel portion 502, part or all of the driver circuit portion 504 is formed of COG or TAB (Tape Automated B
onding).

画素部502は、X行(Xは2以上の自然数)Y列(Yは2以上の自然数)に配置され
た複数の表示素子を駆動するための回路(以下、画素回路501という)を有し、駆動回
路部504は、画素を選択する信号(走査信号)を出力する回路(以下、ゲートドライバ
504aという)、画素の表示素子を駆動するための信号(データ信号)を供給するため
の回路(以下、ソースドライバ504b)などの駆動回路を有する。
The pixel portion 502 includes circuits (hereinafter referred to as pixel circuits 501) for driving a plurality of display elements arranged in X rows (X is a natural number of 2 or more) and Y columns (Y is a natural number of 2 or more). , the driving circuit unit 504 includes a circuit for outputting a signal (scanning signal) for selecting pixels (hereinafter referred to as a gate driver 504a), a circuit for supplying a signal (data signal) for driving the display element of the pixel ( Below, it has a driver circuit such as a source driver 504b).

ゲートドライバ504aは、シフトレジスタ等を有する。ゲートドライバ504aは、
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号が入力され、信号を出力す
る。例えば、ゲートドライバ504aは、スタートパルス信号、クロック信号等が入力さ
れ、パルス信号を出力する。ゲートドライバ504aは、走査信号が与えられる配線(以
下、走査線GL_1乃至GL_Xという)の電位を制御する機能を有する。なお、ゲート
ドライバ504aを複数設け、複数のゲートドライバ504aにより、走査線GL_1乃
至GL_Xを分割して制御してもよい。または、ゲートドライバ504aは、初期化信号
を供給することができる機能を有する。ただし、これに限定されず、ゲートドライバ50
4aは、別の信号を供給することも可能である。
The gate driver 504a has a shift register and the like. The gate driver 504a is
A signal for driving the shift register is input through the terminal portion 507, and the signal is output. For example, the gate driver 504a receives a start pulse signal, a clock signal, etc., and outputs a pulse signal. The gate driver 504a has a function of controlling potentials of wirings supplied with scan signals (hereinafter referred to as scan lines GL_1 to GL_X). Note that a plurality of gate drivers 504a may be provided and the scanning lines GL_1 to GL_X may be divided and controlled by the plurality of gate drivers 504a. Alternatively, the gate driver 504a has a function of supplying an initialization signal. However, it is not limited to this, and the gate driver 50
4a can also provide other signals.

ソースドライバ504bは、シフトレジスタ等を有する。ソースドライバ504bは、
端子部507を介して、シフトレジスタを駆動するための信号の他、データ信号の元とな
る信号(画像信号)が入力される。ソースドライバ504bは、画像信号を元に画素回路
501に書き込むデータ信号を生成する機能を有する。また、ソースドライバ504bは
、スタートパルス、クロック信号等が入力されて得られるパルス信号に従って、データ信
号の出力を制御する機能を有する。また、ソースドライバ504bは、データ信号が与え
られる配線(以下、データ線DL_1乃至DL_Yという)の電位を制御する機能を有す
る。または、ソースドライバ504bは、初期化信号を供給することができる機能を有す
る。ただし、これに限定されず、ソースドライバ504bは、別の信号を供給することも
可能である。
The source driver 504b has a shift register and the like. The source driver 504b
A signal for driving the shift register and a signal (image signal) that is the source of the data signal are input via the terminal portion 507 . The source driver 504b has a function of generating data signals to be written to the pixel circuits 501 based on image signals. The source driver 504b also has a function of controlling the output of the data signal according to a pulse signal obtained by inputting a start pulse, a clock signal, and the like. The source driver 504b also has a function of controlling potentials of wirings supplied with data signals (hereinafter referred to as data lines DL_1 to DL_Y). Alternatively, the source driver 504b has a function of supplying an initialization signal. However, it is not limited to this, and the source driver 504b can also supply another signal.

ソースドライバ504bは、例えば複数のアナログスイッチなどを用いて構成される。
ソースドライバ504bは、複数のアナログスイッチを順次オン状態にすることにより、
画像信号を時分割した信号をデータ信号として出力できる。また、シフトレジスタなどを
用いてソースドライバ504bを構成してもよい。
The source driver 504b is configured using, for example, a plurality of analog switches.
The source driver 504b sequentially turns on a plurality of analog switches to
A signal obtained by time-dividing an image signal can be output as a data signal. Alternatively, the source driver 504b may be configured using a shift register or the like.

複数の画素回路501のそれぞれは、走査信号が与えられる複数の走査線GLの一つを
介してパルス信号が入力され、データ信号が与えられる複数のデータ線DLの一つを介し
てデータ信号が入力される。また。複数の画素回路501のそれぞれは、ゲートドライバ
504aによりデータ信号のデータの書き込み及び保持が制御される。例えば、m行n列
目の画素回路501は、走査線GL_m(mはX以下の自然数)を介してゲートドライバ
504aからパルス信号が入力され、走査線GL_mの電位に応じてデータ線DL_n(
nはY以下の自然数)を介してソースドライバ504bからデータ信号が入力される。
Each of the plurality of pixel circuits 501 receives a pulse signal through one of a plurality of scanning lines GL to which a scanning signal is applied, and receives a data signal through one of a plurality of data lines DL to which a data signal is applied. is entered. again. Each of the plurality of pixel circuits 501 is controlled by a gate driver 504a to write and hold the data of the data signal. For example, the pixel circuit 501 of the m-th row and the n-th column receives a pulse signal from the gate driver 504a via the scanning line GL_m (m is a natural number equal to or less than X), and responds to the potential of the scanning line GL_m to the data line DL_n (
A data signal is input from the source driver 504b via n (n is a natural number equal to or smaller than Y).

図26(A)に示す保護回路506は、例えば、ゲートドライバ504aと画素回路5
01の間の配線である走査線GLに接続される。または、保護回路506は、ソースドラ
イバ504bと画素回路501の間の配線であるデータ線DLに接続される。または、保
護回路506は、ゲートドライバ504aと端子部507との間の配線に接続することが
できる。または、保護回路506は、ソースドライバ504bと端子部507との間の配
線に接続することができる。なお、端子部507は、外部の回路から表示装置に電源及び
制御信号、及び画像信号を入力するための端子が設けられた部分をいう。
The protection circuit 506 shown in FIG. 26A includes, for example, the gate driver 504a and the pixel circuit 5
01 is connected to the scanning line GL. Alternatively, the protection circuit 506 is connected to the data line DL, which is wiring between the source driver 504b and the pixel circuit 501 . Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to wiring between the gate driver 504 a and the terminal portion 507 . Alternatively, the protection circuit 506 can be connected to wiring between the source driver 504 b and the terminal portion 507 . Note that the terminal portion 507 is a portion provided with terminals for inputting power, control signals, and image signals from an external circuit to the display device.

保護回路506は、自身が接続する配線に一定の範囲外の電位が与えられたときに、該
配線と別の配線とを導通状態にする回路である。
The protection circuit 506 is a circuit that, when a potential outside a certain range is applied to a wiring to which it is connected, brings the wiring into conduction with another wiring.

図26(A)に示すように、画素部502と駆動回路部504にそれぞれ保護回路50
6を設けることにより、ESD(Electro Static Discharge:
静電気放電)などにより発生する過電流に対する表示装置の耐性を高めることができる。
ただし、保護回路506の構成はこれに限定されず、例えば、ゲートドライバ504aに
保護回路506を接続した構成、またはソースドライバ504bに保護回路506を接続
した構成とすることもできる。あるいは、端子部507に保護回路506を接続した構成
とすることもできる。
As shown in FIG. 26A, the pixel portion 502 and the driver circuit portion 504 each have a protection circuit 50 .
6, ESD (Electro Static Discharge:
It is possible to increase the resistance of the display device to overcurrent generated by electrostatic discharge) or the like.
However, the configuration of the protection circuit 506 is not limited to this. For example, a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the gate driver 504a or a configuration in which the protection circuit 506 is connected to the source driver 504b can be employed. Alternatively, a configuration in which a protective circuit 506 is connected to the terminal portion 507 can be employed.

また、図26(A)においては、ゲートドライバ504aとソースドライバ504bに
よって駆動回路部504を形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例
えば、ゲートドライバ504aのみを形成し、別途用意されたソースドライバ回路が形成
された基板(例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板)を実
装する構成としても良い。
FIG. 26A shows an example in which the driver circuit portion 504 is formed by the gate driver 504a and the source driver 504b; however, the structure is not limited to this. For example, only the gate driver 504a may be formed, and a separately prepared substrate on which a source driver circuit is formed (for example, a driving circuit substrate formed of a single crystal semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film) may be mounted.

また、図26(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図26(B)に示す構成
とすることができる。
Further, the plurality of pixel circuits 501 shown in FIG. 26A can have the structure shown in FIG. 26B, for example.

図26(B)に示す画素回路501は、液晶素子570と、トランジスタ550と、容
量素子560と、を有する。トランジスタ550に先の実施の形態に示すトランジスタを
適用することができる。
A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 26B includes a liquid crystal element 570 , a transistor 550 , and a capacitor 560 . The transistor described in any of the above embodiments can be applied to the transistor 550 .

液晶素子570の一対の電極の一方の電位は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定
される。液晶素子570は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複
数の画素回路501のそれぞれが有する液晶素子570の一対の電極の一方に共通の電位
(コモン電位)を与えてもよい。また、各行の画素回路501の液晶素子570の一対の
電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
The potential of one of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 is appropriately set according to the specifications of the pixel circuit 501 . The alignment state of the liquid crystal element 570 is set by written data. Note that a common potential (common potential) may be applied to one of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 included in each of the plurality of pixel circuits 501 . Alternatively, different potentials may be applied to one of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 of the pixel circuit 501 in each row.

例えば、液晶素子570を備える表示装置の駆動方法としては、TNモード、STNモ
ード、VAモード、ASM(Axially Symmetric Aligned M
icro-cell)モード、OCB(Optically Compensated
Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liqu
id Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Li
quid Crystal)モード、MVAモード、PVA(Patterned Ve
rtical Alignment)モード、IPSモード、FFSモード、又はTBA
(Transverse Bend Alignment)モードなどを用いてもよい。
また、表示装置の駆動方法としては、上述した駆動方法の他、ECB(Electric
ally Controlled Birefringence)モード、PDLC(P
olymer Dispersed Liquid Crystal)モード、PNLC
(Polymer Network Liquid Crystal)モード、ゲストホ
ストモードなどがある。ただし、これに限定されず、液晶素子及びその駆動方式として様
々なものを用いることができる。
For example, methods for driving a display device including the liquid crystal element 570 include TN mode, STN mode, VA mode, ASM (Axially Symmetric Aligned M
micro-cell) mode, OCB (Optically Compensated)
Birefringence) mode, FLC (Ferroelectric Liquid)
id Crystal) mode, AFLC (AntiFerroelectric Li
Quid Crystal) mode, MVA mode, PVA (Patterned Veh
alignment) mode, IPS mode, FFS mode, or TBA
(Transverse Bend Alignment) mode or the like may be used.
In addition to the above-described driving method, the driving method of the display device includes an ECB (Electric
fully controlled birefringence) mode, PDLC (P
Polymer Dispersed Liquid Crystal) mode, PNLC
(Polymer Network Liquid Crystal) mode, guest host mode, and the like. However, it is not limited to this, and various liquid crystal elements and driving methods thereof can be used.

m行n列目の画素回路501において、トランジスタ550のソース電極またはドレイ
ン電極の一方は、データ線DL_nに電気的に接続され、他方は液晶素子570の一対の
電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ550のゲート電極は、走査線G
L_mに電気的に接続される。トランジスタ550は、オン状態またはオフ状態になるこ
とにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
In the pixel circuit 501 of the m-th row and the n-th column, one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 550 is electrically connected to the data line DL_n, and the other is electrically connected to the other of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570. be. Also, the gate electrode of the transistor 550 is connected to the scanning line G
electrically connected to L_m. The transistor 550 has a function of controlling data writing of the data signal by turning on or off.

容量素子560の一対の電極の一方は、電位が供給される配線(以下、電位供給線VL
)に電気的に接続され、他方は、液晶素子570の一対の電極の他方に電気的に接続され
る。なお、電位供給線VLの電位の値は、画素回路501の仕様に応じて適宜設定される
。容量素子560は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
One of the pair of electrodes of the capacitive element 560 is connected to a wiring to which a potential is supplied (hereinafter referred to as a potential supply line VL
) and the other is electrically connected to the other of the pair of electrodes of the liquid crystal element 570 . Note that the potential value of the potential supply line VL is appropriately set according to the specifications of the pixel circuit 501 . The capacitor 560 functions as a storage capacitor that retains written data.

例えば、図26(B)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図26(A)
に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ
550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
For example, in a display device having the pixel circuit 501 shown in FIG.
The pixel circuits 501 in each row are sequentially selected by the gate driver 504a shown in FIG.

データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ550がオフ状態になることで
保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
The pixel circuit 501 to which data is written enters a holding state when the transistor 550 is turned off. An image can be displayed by sequentially performing this for each row.

また、図26(A)に示す複数の画素回路501は、例えば、図26(C)に示す構成
とすることができる。
Further, the plurality of pixel circuits 501 shown in FIG. 26A can have the structure shown in FIG. 26C, for example.

また、図26(C)に示す画素回路501は、トランジスタ552、554と、容量素
子562と、発光素子572と、を有する。トランジスタ552及びトランジスタ554
のいずれか一方または双方に先の実施の形態に示すトランジスタを適用することができる
A pixel circuit 501 illustrated in FIG. 26C includes transistors 552 and 554, a capacitor 562, and a light-emitting element 572. The pixel circuit 501 illustrated in FIG. Transistor 552 and transistor 554
The transistor described in any of the above embodiments can be applied to either one or both of .

トランジスタ552のソース電極及びドレイン電極の一方は、データ信号が与えられる
配線(以下、信号線DL_nという)に電気的に接続される。さらに、トランジスタ55
2のゲート電極は、ゲート信号が与えられる配線(以下、走査線GL_mという)に電気
的に接続される。
One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 552 is electrically connected to a wiring supplied with a data signal (hereinafter referred to as a signal line DL_n). Furthermore, the transistor 55
2 is electrically connected to a wiring to which a gate signal is applied (hereinafter referred to as a scanning line GL_m).

トランジスタ552は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデー
タの書き込みを制御する機能を有する。
The transistor 552 has a function of controlling data writing of the data signal by turning on or off.

容量素子562の一対の電極の一方は、電位が与えられる配線(以下、電位供給線VL
_aという)に電気的に接続され、他方は、トランジスタ552のソース電極及びドレイ
ン電極の他方に電気的に接続される。
One of the pair of electrodes of the capacitive element 562 is connected to a wiring to which a potential is applied (hereinafter referred to as a potential supply line VL
_a), and the other is electrically connected to the other of the source and drain electrodes of the transistor 552 .

容量素子562は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。 The capacitor 562 functions as a storage capacitor that retains written data.

トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の一方は、電位供給線VL_aに電
気的に接続される。さらに、トランジスタ554のゲート電極は、トランジスタ552の
ソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続される。
One of the source electrode and the drain electrode of the transistor 554 is electrically connected to the potential supply line VL_a. Further, the gate electrode of transistor 554 is electrically connected to the other of the source and drain electrodes of transistor 552 .

発光素子572のアノード及びカソードの一方は、電位供給線VL_bに電気的に接続
され、他方は、トランジスタ554のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続
される。
One of the anode and cathode of the light-emitting element 572 is electrically connected to the potential supply line VL_b, and the other is electrically connected to the other of the source and drain electrodes of the transistor 554 .

発光素子572としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子(有機EL素子とも
いう)などを用いることができる。ただし、発光素子572としては、これに限定されず
、無機材料からなる無機EL素子を用いても良い。
As the light-emitting element 572, for example, an organic electroluminescence element (also referred to as an organic EL element) can be used. However, the light-emitting element 572 is not limited to this, and an inorganic EL element made of an inorganic material may be used.

なお、電位供給線VL_a及び電位供給線VL_bの一方には、高電源電位VDDが与
えられ、他方には、低電源電位VSSが与えられる。
Note that one of the potential supply line VL_a and the potential supply line VL_b is supplied with the high power supply potential VDD, and the other is supplied with the low power supply potential VSS.

図26(C)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図26(A)に示すゲ
ートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ552を
オン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
In a display device having the pixel circuit 501 shown in FIG. 26C, for example, the gate driver 504a shown in FIG. Write.

データが書き込まれた画素回路501は、トランジスタ552がオフ状態になることで
保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ554の
ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子572は、流れる電
流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
The pixel circuit 501 to which data is written enters a holding state when the transistor 552 is turned off. Further, the amount of current flowing between the source electrode and the drain electrode of the transistor 554 is controlled according to the potential of the written data signal, and the light-emitting element 572 emits light with luminance corresponding to the amount of flowing current. An image can be displayed by sequentially performing this for each row.

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

(実施の形態6)
以下では、本発明の一態様の酸化物半導体を用いた半導体装置の例を説明する。
(Embodiment 6)
An example of a semiconductor device using an oxide semiconductor of one embodiment of the present invention is described below.

[半導体装置の例]
図37(A)は本発明の一態様の半導体装置の回路図の一例である。図37(A)に示
す半導体装置は、トランジスタ100と、トランジスタ130と、容量素子150と、配
線WBLと、配線RBLと、配線WLと、配線CLと、配線BGと、配線SLと、を有す
る。
[Examples of semiconductor devices]
FIG. 37A is an example of a circuit diagram of a semiconductor device of one embodiment of the present invention. A semiconductor device illustrated in FIG. 37A includes a transistor 100, a transistor 130, a capacitor 150, a wiring WBL, a wiring RBL, a wiring WL, a wiring CL, a wiring BG, and a wiring SL. .

トランジスタ130は、ソースまたはドレインの一方が配線RBLと電気的に接続し、
他方が配線SLと電気的に接続し、ゲートがトランジスタ100のソースまたはドレイン
の一方及び容量素子150の一方の電極と電気的に接続する。トランジスタ100は、ソ
ースまたはドレインの他方が配線WBLと電気的に接続し、第1のゲートが配線WLと電
気的に接続する。容量素子150は、他方の電極が配線CLと電気的に接続する。また配
線BGはトランジスタ100の第2のゲートと電気的に接続する。なお、トランジスタ1
30のゲートと、トランジスタ100のソースまたはドレインの一方と、容量素子150
の一方の電極の間のノードをノードFNと呼ぶ。
One of the source and the drain of the transistor 130 is electrically connected to the wiring RBL,
The other is electrically connected to the wiring SL, and the gate is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 100 and one electrode of the capacitor 150 . The transistor 100 has the other of its source and drain electrically connected to the wiring WBL, and its first gate electrically connected to the wiring WL. The other electrode of the capacitor 150 is electrically connected to the wiring CL. A wiring BG is electrically connected to the second gate of the transistor 100 . Note that the transistor 1
30, one of the source or drain of the transistor 100, and the capacitive element 150
is called a node FN.

図37(A)に示す半導体装置は、トランジスタ100が導通状態(オン状態)の時に
配線WBLの電位に応じた電位を、ノードFNに与える。また、トランジスタ100が非
導通状態(オフ状態)のときに、ノードFNの電位を保持する機能を有する。すなわち、
図37(A)に示す半導体装置は、記憶装置のメモリセルとしての機能を有する。図37
(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ
)を構成することができる。
In the semiconductor device shown in FIG. 37A, a potential corresponding to the potential of the wiring WBL is applied to the node FN when the transistor 100 is on (on). It also has a function of holding the potential of the node FN when the transistor 100 is off (off). i.e.
The semiconductor device illustrated in FIG. 37A functions as a memory cell of a memory device. Figure 37
By arranging the semiconductor devices illustrated in (A) in matrix, a memory device (memory cell array) can be formed.

なお、ノードFNと電気的に接続する液晶素子や有機EL(Electrolumin
escence)素子などの表示素子を有する場合、図37(A)の半導体装置は表示装
置の画素として機能させることもできる。
Note that a liquid crystal element or organic EL (electroluminescence) electrically connected to the node FN
When a display element such as an essence element is provided, the semiconductor device in FIG. 37A can function as a pixel of the display device.

トランジスタ100の導通状態、非導通状態の選択は、配線WLまたは配線BGに与え
る電位によって制御することができる。また配線WLまたは配線BGに与える電位によっ
てトランジスタ100のしきい値を制御することができる。トランジスタ100としてオ
フ電流の小さいトランジスタを用いることにより、非導通状態におけるノードFNの電位
を長期間に渡って保持することができる。したがって、半導体装置のリフレッシュ頻度を
低減することができ、消費電力の小さい半導体装置を実現することができる。トランジス
タ100として、例えば酸化物半導体膜を用いたトランジスタを用いることにより、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。
Selection of an on state or an off state of the transistor 100 can be controlled by a potential applied to the wiring WL or the wiring BG. Further, the threshold of the transistor 100 can be controlled by the potential applied to the wiring WL or the wiring BG. By using a transistor with low off-state current as the transistor 100, the potential of the node FN in an off state can be held for a long time. Therefore, the refresh frequency of the semiconductor device can be reduced, and a semiconductor device with low power consumption can be realized. By using a transistor including an oxide semiconductor film, for example, as the transistor 100, a transistor with low off-state current can be realized.

なお、配線CLには基準電位や接地電位、または任意の固定電位などの定電位が与えら
れる。このとき、ノードFNの電位によって、トランジスタ100の見かけ上のしきい値
電圧が変動する。見かけ上のしきい値電圧の変動により、トランジスタ130の導通状態
、非導通状態が変化することを利用し、ノードFNに保持された電位の情報をデータとし
て読み出すことができる。
Note that a constant potential such as a reference potential, a ground potential, or an arbitrary fixed potential is applied to the wiring CL. At this time, the apparent threshold voltage of the transistor 100 varies depending on the potential of the node FN. Information on the potential held in the node FN can be read as data by using the fact that the on state and off state of the transistor 130 change due to the change in the apparent threshold voltage.

なお、ノードFNに保持された電位を85℃において10年間(3.15×10秒)
保持するためには、容量1fFあたり、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電
流の値が4.3yA(ヨクトアンペア:1yAは10-24A)未満であることが好まし
い。このとき、許容されるノードFNの電位の変動が0.5V以内であることが好ましい
。または、95℃において、上記オフ電流が1.5yA未満であることが好ましい。
Note that the potential held at the node FN is kept at 85° C. for 10 years (3.15×10 8 seconds).
In order to maintain the capacitance, it is preferable that the value of the off current per 1 fF of capacitance per 1 μm channel width of the transistor be less than 4.3 yA (yoctampere: 1 yA is 10 −24 A). At this time, it is preferable that the allowable fluctuation of the potential of the node FN is within 0.5V. Alternatively, the off current is preferably less than 1.5 yA at 95°C.

また、容量を大きくすることにより、より長くノードFNに電位を保持することができ
る。つまり、保持時間を長くすることができる。
Further, by increasing the capacitance, the potential of the node FN can be held for a longer time. That is, the retention time can be lengthened.

図37(A)に示す半導体装置では、トランジスタ130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. 37A, by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 130 can be held, data can be written, held, and read as follows.

情報の書き込み及び保持について説明する。まず、配線WLの電位を、トランジスタ1
00がオン状態となる電位にして、トランジスタ100をオン状態とする。これにより、
配線WBLの電位が、トランジスタ130のゲート電極、及び容量素子150に与えられ
る。すなわち、トランジスタ130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、Hig
h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、配線WLの電位を、
トランジスタ100がオフ状態となる電位にして、トランジスタ100をオフ状態とする
ことにより、トランジスタ130のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
Writing and holding information will be described. First, the potential of the wiring WL is set to the transistor 1
00 is set to an on-state potential, so that the transistor 100 is turned on. This will
The potential of the wiring WBL is applied to the gate electrode of the transistor 130 and the capacitor 150 . That is, a predetermined charge is applied to the gate electrode of the transistor 130 (writing). Here, charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as Low level charges, High
h-level charge). After that, the potential of the wiring WL is
By setting the potential at which the transistor 100 is turned off to turn off the transistor 100, the charge applied to the gate electrode of the transistor 130 is held (held).

トランジスタ100のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ130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 100 is extremely low, charge in the gate electrode of the transistor 130 is retained for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。配線RBLに所定の電位(定電位)を与えた状
態で、配線CLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ130のゲート
電極に保持された電荷量に応じて、配線SLは異なる電位をとる。一般に、トランジスタ
130をnチャネル型とすると、トランジスタ130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130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130を「オン状態」と
するために必要な配線CLの電位をいうものとする。したがって、配線CLの電位をV
h_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタ130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、配線CLの電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ1
30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、配線CLの電
位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ130は「オフ状態」のままである
。このため、配線SL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。なお、配線本数を減らすために、例えば図37(A)に示すWBLとRBLを導通
させてもよい。
Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the wiring CL while a predetermined potential (constant potential) is applied to the wiring RBL, the potential of the wiring SL varies depending on the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 130 . take. In general, if the transistor 130 is an n-channel type, the apparent threshold V th_H when the gate electrode of the transistor 130 is given a high-level charge is This is because it is lower than the apparent threshold value V th_L in the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the wiring CL required to turn on the transistor 130 . Therefore, the potential of the wiring CL is V t
By setting the potential to V0 between h_H and Vth_L , charge applied to the gate electrode of the transistor 130 can be determined. For example, when a high-level charge is applied in writing, if the potential of the wiring CL becomes V 0 (>V th — H ), the transistor 1
30 is in the "on state". When low-level charge is applied, the transistor 130 remains “off” even when the potential of the wiring CL becomes V 0 (<V th — L ). Therefore, by determining the potential of the wiring SL, the held information can be read. In order to reduce the number of wirings, for example, WBL and RBL shown in FIG. 37(A) may be electrically connected.

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。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ130が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_H
より小さい電位を配線CLに与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトラ
ンジスタ130が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を
配線CLに与えればよい。
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. When data is not read in this way, the potential at which the transistor 130 is turned off regardless of the state of the gate electrode, that is, V th_H
A smaller potential may be applied to the wiring CL. Alternatively, a potential at which the transistor 130 is turned on regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than Vth_L may be applied to the wiring CL.

図37(B)に示す半導体装置は、トランジスタ130を設けていない点で主に図37
(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及び保持動作
が可能である。
The semiconductor device shown in FIG. 37B is mainly similar to that shown in FIG. 37 in that the transistor 130 is not provided.
(A) is different. 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100がオン状態となると、浮
遊状態である配線BLと容量素子150とが導通し、配線BLと容量素子150の間で電
荷が再分配される。その結果、配線BLの電位が変化する。配線BLの電位の変化量は、
容量素子150の一方の電極の電位(あるいは容量素子150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 100 is turned on, the wiring BL which is in a floating state and the capacitor 150 are electrically connected, and electric charge is redistributed between the wiring BL and the capacitor 150 . As a result, the potential of the wiring BL changes. The amount of change in the potential of the wiring BL is
It takes different values depending on the potential of one electrode of the capacitor 150 (or the charge accumulated in the capacitor 150).

例えば、容量素子150の一方の電極の電位をV、容量素子150の容量をC、配線B
Lが有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線BLの電位をVB0とすると、
電荷が再分配された後の配線BL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150の一方の電極の電位が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配線BL
の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場
合の配線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなるこ
とがわかる。
For example, the potential of one electrode of the capacitor 150 is V, the capacitance of the capacitor 150 is C, and the wiring B
Let CB be the capacitance component of L, and let VB0 be the potential of the wiring BL before the charge is redistributed.
The potential of the wiring BL after the charge redistribution is (CB×VB0+C×V)/(CB+C). Therefore, as the state of the memory cell, the potential of one electrode of the capacitor 150 is V1.
and V0 (V1>V0), the wiring BL when the potential V1 is held
(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C)) is higher than the potential of the wiring BL (=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C)) when the potential V0 is held. I understand.

そして、配線BL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 wiring BL with a predetermined potential, information can be read.

図37(A)や図37(B)で示す半導体装置は、例えばCPUの記憶装置として用い
ることもできる。
The semiconductor device shown in FIGS. 37A and 37B can also be used as a memory device of a CPU, for example.

図38に、図37(A)で示した回路を実現可能な半導体装置の断面構成の一例を示す
。なお、図38では配線本数を減らすためにWBLとRBLを導通させる例を示す。なお
、図38(B)は、図38(A)に示す一点鎖線A-Bを通り、図38(A)と垂直な面
の断面を示す。また、図38(C)は、図38(A)に示す一点鎖線C-Dを通り、図3
8(A)と垂直な面の断面を示す。
FIG. 38 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device capable of realizing the circuit shown in FIG. Note that FIG. 38 shows an example in which WBL and RBL are electrically connected in order to reduce the number of wirings. Note that FIG. 38(B) shows a cross section of a plane perpendicular to FIG. 38(A) through the dashed-dotted line AB shown in FIG. 38(A). Further, FIG. 38(C) passes through the dashed-dotted line CD shown in FIG. 38(A),
8(A) and a cross section of a plane perpendicular to FIG.

トランジスタ100はトランジスタ130の上方に設けられることが好ましい。トラン
ジスタ100とトランジスタ130を積層することにより、例えば、回路面積を縮小する
ことができる。トランジスタ100として、例えば実施の形態3に示したトランジスタを
用いることができる。図38では、図12に示したトランジスタ100を用いる例を示す
Transistor 100 is preferably provided above transistor 130 . By stacking the transistor 100 and the transistor 130, for example, the circuit area can be reduced. As the transistor 100, the transistor described in Embodiment 3 can be used, for example. FIG. 38 shows an example using the transistor 100 shown in FIG.

トランジスタ130は、第1の半導体材料を含んで構成される。また、トランジスタ1
00は第2の半導体材料を含んで構成される。第1の半導体材料、または第2の半導体材
料として用いることのできる半導体としては、例えばシリコンやゲルマニウムやガリウム
やヒ素などの半導体材料、シリコンやゲルマニウムやガリウムやヒ素やアルミニウムなど
を有する化合物半導体材料、有機半導体材料、または酸化物半導体材料などが挙げられる
Transistor 130 comprises a first semiconductor material. Also, the transistor 1
00 comprises a second semiconductor material. Examples of semiconductors that can be used as the first semiconductor material or the second semiconductor material include semiconductor materials such as silicon, germanium, gallium, and arsenic; compound semiconductor materials containing silicon, germanium, gallium, arsenic, aluminum, and the like; Examples include organic semiconductor materials and oxide semiconductor materials.

第1の半導体材料と第2の半導体材料は、同一の材料であってもよいが、異なる半導体
材料とすることがより好ましい。ここでは、第1の半導体材料として単結晶シリコンを、
第2の半導体材料として酸化物半導体を用いた場合について説明する。
The first semiconductor material and the second semiconductor material may be the same material, but are more preferably different semiconductor materials. Here, single crystal silicon is used as the first semiconductor material,
A case where an oxide semiconductor is used as the second semiconductor material will be described.

〔第1のトランジスタ〕
トランジスタ130は、半導体基板131に設けられ、半導体基板131の一部からな
る半導体層132、ゲート絶縁膜134、ゲート電極135、及びソース領域またはドレ
イン領域として機能する低抵抗層133a及び低抵抗層133bを有する。
[First transistor]
The transistor 130 is provided over a semiconductor substrate 131 and includes a semiconductor layer 132 which is part of the semiconductor substrate 131, a gate insulating film 134, a gate electrode 135, and low-resistance layers 133a and 133b functioning as a source region or a drain region. have

トランジスタ130は、pチャネル型、nチャネル型のいずれでもよいが、回路構成や
駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
The transistor 130 may be either a p-channel type or an n-channel type, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and driving method.

半導体層132のチャネルが形成される領域やその近傍の領域や、ソース領域またはド
レイン領域となる低抵抗層133a及び低抵抗層133b等において、シリコン系半導体
などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、G
e(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、
GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格
子に歪みを有するシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等
を用いることで、トランジスタ130をHEMT(High Electron Mob
ility Transistor)としてもよい。
A semiconductor such as a silicon-based semiconductor is preferably contained in a region where a channel of the semiconductor layer 132 is formed, a region in the vicinity thereof, the low-resistance layers 133a and 133b serving as a source region or a drain region, and the like. It preferably contains silicon. or G
e (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide),
A material containing GaAlAs (gallium aluminum arsenide) or the like may be used. A structure using silicon having a strained crystal lattice may be used. Alternatively, by using GaAs, GaAlAs, or the like, the transistor 130 can be a HEMT (High Electron Mob
It may be used as a power transistor).

また、トランジスタ130は、LDD(Lightly Doped Drain)領
域である領域176aと領域176bを有してもよい。
Further, the transistor 130 may have regions 176a and 176b, which are LDD (Lightly Doped Drain) regions.

低抵抗層133a及び低抵抗層133bは、半導体層132に適用される半導体材料に
加え、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与
する元素を含む。
For the low-resistance layers 133a and 133b, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor layer 132, an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron is used. include.

ゲート電極135は、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp
型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、また
は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
The gate electrode 135 is composed of an element imparting n-type conductivity such as phosphorus, or a p-type conductive element such as boron.
Conductive materials such as semiconductor materials such as silicon containing elements that impart conductivity of type, metal materials, alloy materials, or metal oxide materials can be used.

ここで、トランジスタ130に換えて図29(A)及び図29(B)に示すようなトラ
ンジスタ190を用いてもよい。図29(B)は、図29(A)に示す一点鎖線E-Fを
通り、図29(A)と垂直な面の断面を示す。トランジスタ190はチャネルが形成され
る半導体層132(半導体基板の一部)が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲー
ト絶縁膜134及びゲート電極135が設けられている。またトランジスタの間には素子
分離層181が設けられている。このようなトランジスタ190は半導体基板の凸部を利
用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸
部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい。また、ここでは半
導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI(Silicon o
n Insulator)基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。
Here, instead of the transistor 130, a transistor 190 as shown in FIGS. 29A and 29B may be used. FIG. 29(B) shows a cross section of a plane perpendicular to FIG. 29(A) through the dashed-dotted line EF shown in FIG. 29(A). In the transistor 190, a semiconductor layer 132 (part of the semiconductor substrate) in which a channel is formed has a convex shape, and a gate insulating film 134 and a gate electrode 135 are provided along the side and top surfaces thereof. An element isolation layer 181 is provided between the transistors. Such a transistor 190 is also called a FIN transistor because it utilizes the projections of the semiconductor substrate. Note that an insulating film that functions as a mask for forming the projection may be provided in contact with the upper portion of the projection. Further, here, a case where a part of the semiconductor substrate is processed to form a convex portion is shown, but SOI (Silicon OI) is used.
n Insulator) The substrate may be processed to form a semiconductor layer having a convex shape.

トランジスタ130を覆って、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138が順に
積層して設けられている。
An insulating film 136 , an insulating film 137 , and an insulating film 138 are stacked in this order to cover the transistor 130 .

絶縁膜136は半導体装置の作製工程において、低抵抗層133a及び低抵抗層133
bに添加された導電性を付与する元素の活性化の際の保護膜として機能する。絶縁膜13
6は不要であれば設けなくてもよい。
The insulating film 136 is the low-resistance layer 133a and the low-resistance layer 133 in the manufacturing process of the semiconductor device.
It functions as a protective film when activating the element imparting electrical conductivity added to b. Insulating film 13
6 may be omitted if unnecessary.

半導体層132にシリコン系半導体材料を用いた場合、絶縁膜137は水素を含む絶縁
材料を含むことが好ましい。加熱処理を行うことで絶縁膜137中の水素により半導体層
132中のダングリングボンドが終端され、トランジスタ130の信頼性を向上させるこ
とができる。
When a silicon-based semiconductor material is used for the semiconductor layer 132, the insulating film 137 preferably contains an insulating material containing hydrogen. By performing the heat treatment, hydrogen in the insulating film 137 terminates dangling bonds in the semiconductor layer 132, so that the reliability of the transistor 130 can be improved.

絶縁膜138はその下層に設けられるトランジスタ130などによって生じる段差を平
坦化する平坦化層として機能する。絶縁膜138の上面をCMP法等により平坦化しても
よい。
The insulating film 138 functions as a planarization layer that planarizes a step caused by the transistor 130 or the like provided therebelow. The upper surface of the insulating film 138 may be planarized by a CMP method or the like.

また、絶縁膜136、絶縁膜137、絶縁膜138には低抵抗層133aや低抵抗層1
33b等と電気的に接続するプラグ140、トランジスタ130のゲート電極135と電
気的に接続するプラグ139等が埋め込まれていてもよい。
Moreover, the insulating film 136, the insulating film 137, and the insulating film 138 include the low-resistance layer 133a and the low-resistance layer 1.
A plug 140 electrically connected to 33b and the like, a plug 139 electrically connected to the gate electrode 135 of the transistor 130, and the like may be embedded.

トランジスタ130と、トランジスタ100の間には、バリア膜111が設けられてい
る。バリア膜111は、これよりも下層から水及び水素が上層に拡散することを抑制する
機能を有する層である。また、バリア膜111は酸素透過性が低いことが好ましい。ここ
で、水及び水素が拡散しにくい、とは、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリ
コン等と比較して、水及び水素の透過性が低いことを示す。また、酸素透過性が低いとは
、例えば一般的に絶縁膜として用いられる酸化シリコン等と比較して、酸素の透過性が低
いことを示す。
A barrier film 111 is provided between the transistor 130 and the transistor 100 . The barrier film 111 is a layer having a function of suppressing diffusion of water and hydrogen from a lower layer to an upper layer. Also, the barrier film 111 preferably has low oxygen permeability. Here, "water and hydrogen are less likely to diffuse" means that the permeability of water and hydrogen is lower than that of silicon oxide or the like, which is generally used as an insulating film, for example. Also, low oxygen permeability means that the oxygen permeability is low compared to, for example, silicon oxide or the like generally used as an insulating film.

バリア膜111に用いることのできる材料としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウ
ム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸スト
ロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるh
igh-k材料を含む絶縁膜を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶
縁膜に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シ
リコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ガ
リウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁膜を窒化処理して酸化窒化膜としてもよい
。上記の絶縁膜に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いて
もよい。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対するバリア性に優れているため、より好
ましい。
Materials that can be used for the barrier film 111 include aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr)TiO 3 (BST). ) and other so-called h
An insulating film containing high-k material can be used in a single layer or a stack of layers. Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, or gallium oxide may be added to these insulating films. Alternatively, these insulating films may be nitrided to form an oxynitride film. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulating film. In particular, aluminum oxide is more preferable because it has excellent barrier properties against water and hydrogen.

また、上述した材料は、水素、水に加え、酸素のバリア性にも優れた材料である。よっ
て絶縁膜114を加熱した時に放出される酸素がバリア膜111よりも下層に拡散するこ
とを抑制することができる。その結果、絶縁膜114から放出され、トランジスタ100
の半導体層に供給されうる酸素の量を増大させることができる。
In addition, the materials described above are excellent in barrier properties against oxygen as well as against hydrogen and water. Therefore, oxygen released when the insulating film 114 is heated can be prevented from diffusing into layers below the barrier film 111 . As a result, it is released from the insulating film 114 and the transistor 100
can increase the amount of oxygen that can be supplied to the semiconductor layer of

ここで、バリア膜111よりも下層では、例えば加熱処理により、水素や水などを低減
させておくことが好ましい。加熱処理条件は例えば不活性ガス雰囲気下または減圧雰囲気
下で170℃以上とすればよい。
Here, it is preferable to reduce hydrogen, water, and the like in the layers below the barrier film 111 by heat treatment, for example. The heat treatment conditions may be, for example, an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere at 170° C. or higher.

また、トランジスタ130の半導体層に単結晶シリコンを用いた場合では、当該加熱処
理は、シリコンの不対結合手(ダングリングボンドともいう)を水素によって終端化する
処理(水素化処理とも呼ぶ)を兼ねることができる。
In the case where single crystal silicon is used for the semiconductor layer of the transistor 130, the heat treatment is treatment for terminating dangling bonds of silicon with hydrogen (also referred to as hydrogenation treatment). can serve as

バリア膜111を挟むように、導電層151、導電層152a及び導電層152bが設
けられ、容量素子150を形成している。導電層151は、トランジスタ100の導電層
104aと電気的に接続する。
A conductive layer 151 , a conductive layer 152 a , and a conductive layer 152 b are provided to sandwich the barrier film 111 to form the capacitor 150 . Conductive layer 151 is electrically connected to conductive layer 104 a of transistor 100 .

バリア膜111、導電層152a、導電層152b、導電層105等を覆って、絶縁膜
114が設けられている。絶縁膜114については、例えば図12の絶縁膜114の説明
を参照する。
An insulating film 114 is provided to cover the barrier film 111, the conductive layers 152a, 152b, the conductive layer 105, and the like. For the insulating film 114, refer to the description of the insulating film 114 in FIG. 12, for example.

〔第2のトランジスタ〕
絶縁膜114の上部には、トランジスタ100が設けられている。図38に示す一例で
は、トランジスタ100として図12に示したトランジスタを用いる。
[Second transistor]
A transistor 100 is provided over the insulating film 114 . In the example shown in FIG. 38, the transistor shown in FIG. 12 is used as the transistor 100. FIG.

また、図38に示すトランジスタ100は、第2のゲート電極として機能する導電層1
05を有する。導電層105は、容量素子150の一部を形成する導電層152a及び導
電層152bと同時に形成してもよい。これらの導電層を同時に形成することにより、例
えば工程を簡略化することができる。
In addition, the transistor 100 shown in FIG. 38 has the conductive layer 1 functioning as the second gate electrode.
05. The conductive layer 105 may be formed at the same time as the conductive layers 152 a and 152 b that form part of the capacitor 150 . By forming these conductive layers simultaneously, the process can be simplified, for example.

またトランジスタ100を覆って、絶縁膜112、絶縁膜113、及び絶縁膜116が
設けられている。
An insulating film 112 , an insulating film 113 , and an insulating film 116 are provided to cover the transistor 100 .

絶縁膜112はバリア膜111同様、水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ま
しい。特に酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。
As with the barrier film 111, the insulating film 112 is preferably made of a material into which water and hydrogen are difficult to diffuse. In particular, it is preferable to use a material that is less permeable to oxygen.

なお、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。その場合には、例えば絶縁膜
112を2層の積層構造とし、上層には水や水素が拡散しにくい材料を用いることが好ま
しい。また、下層には例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウムなどを用いればよい。下層に設ける絶縁膜は、絶縁膜114と同様の、加熱によ
り酸素が脱離する絶縁膜としてゲート絶縁膜102を介して半導体層101の上側からも
酸素を供給する構成としてもよい。
Note that the insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is preferable that the insulating film 112 has a two-layer structure, and that the upper layer be made of a material that makes it difficult for water or hydrogen to diffuse. For the lower layer, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used. The insulating film provided as a lower layer may be an insulating film from which oxygen is released by heating, similar to the insulating film 114 , and oxygen may be supplied from above the semiconductor layer 101 through the gate insulating film 102 .

絶縁膜112で半導体層101を覆うことで、半導体層101から絶縁膜112よりも
上方に酸素が放出されることを抑制することができる。さらに、絶縁膜114等から脱離
した酸素を絶縁膜112よりも下側に閉じ込めることができるため、半導体層101に供
給しうる酸素の量を増大させることができる。
By covering the semiconductor layer 101 with the insulating film 112 , release of oxygen from the semiconductor layer 101 above the insulating film 112 can be suppressed. Furthermore, since oxygen released from the insulating film 114 or the like can be confined below the insulating film 112, the amount of oxygen that can be supplied to the semiconductor layer 101 can be increased.

また絶縁膜112を設けることにより、外部から酸化物半導体への水や水素が混入する
ことを抑制できる。よって電気特性の変動が抑制された、信頼性の高いトランジスタを実
現することができる。
In addition, by providing the insulating film 112, entry of water or hydrogen into the oxide semiconductor from the outside can be suppressed. Therefore, a highly reliable transistor in which variation in electrical characteristics is suppressed can be achieved.

絶縁膜113としては、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、
窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化
アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
As the insulating film 113, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide,
Silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used, and a stacked layer or a single layer is provided.

トランジスタ100を覆う絶縁膜116は、その下層の凹凸形状を被覆する平坦化層と
して機能する。また絶縁膜113は、絶縁膜116を成膜する際の保護膜としての機能を
有してもよい。絶縁膜113は不要であれば設けなくてもよい。絶縁膜116として例え
ば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウ
ム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよ
く、積層または単層で設ける。
The insulating film 116 covering the transistor 100 functions as a planarization layer covering the uneven shape of the underlying layer. The insulating film 113 may also function as a protective film when the insulating film 116 is formed. The insulating film 113 may be omitted if unnecessary. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like may be used as the insulating film 116, and the insulating film 116 is provided as a stacked layer or a single layer.

絶縁膜112、絶縁膜113及び絶縁膜116には、導電層104bと電気的に接続す
るプラグ321、プラグ322、プラグ123が埋め込まれている。
Plugs 321, 322, and 123 electrically connected to the conductive layer 104b are embedded in the insulating films 112, 113, and 116, respectively.

絶縁膜116の上部には、プラグ322と電気的に接続する配線124等が設けられて
いる。
A wiring 124 and the like electrically connected to the plug 322 are provided on the insulating film 116 .

また図38に示すように、水素を含む絶縁膜136上に、バリア膜111と同様の材料
を含む絶縁膜137を設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、水素を含
む絶縁膜136中に残存した水や水素が上方に拡散することを効果的に抑制することがで
きる。
Alternatively, as shown in FIG. 38, an insulating film 137 containing a material similar to that of the barrier film 111 may be provided over the insulating film 136 containing hydrogen. With such a structure, upward diffusion of water and hydrogen remaining in the insulating film 136 containing hydrogen can be effectively suppressed.

配線124、配線166等の配線、導電層143、導電層151、導電層152a、導
電層152b、導電層251等の導電層、及び、プラグ123、プラグ139、プラグ1
40、プラグ164、プラグ165等のプラグには、材料として金属材料、合金材料、ま
たは金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。特に、耐熱性と導電性を両
立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタング
ステンを用いることが好ましい。また、窒化チタンやチタンなどの材料を、他の材料と積
層して用いてもよい。
Wirings such as the wiring 124 and the wiring 166, conductive layers such as the conductive layer 143, the conductive layer 151, the conductive layer 152a, the conductive layer 152b, and the conductive layer 251, and the plugs 123, 139, and 1
The plugs such as 40, plug 164, and plug 165 can be made of a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. In particular, it is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. Alternatively, a material such as titanium nitride or titanium may be used by being laminated with another material.

[作製方法例]
次に、図38の半導体装置の作製方法の一例について、図39乃至図42を用いて説明
する。
[Example of manufacturing method]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device in FIG. 38 is described with reference to FIGS.

まず半導体基板131を準備する。半導体基板131としては、例えば単結晶シリコン
基板(p型の半導体基板、またはn型の半導体基板を含む)、炭化シリコンや窒化ガリウ
ムからなる化合物半導体基板などを用いることができる。また、半導体基板131として
、SOI基板を用いてもよい。以下では、半導体基板131として単結晶シリコンを用い
た場合について説明する。
First, a semiconductor substrate 131 is prepared. As the semiconductor substrate 131, for example, a single crystal silicon substrate (including a p-type semiconductor substrate or an n-type semiconductor substrate), a compound semiconductor substrate made of silicon carbide or gallium nitride, or the like can be used. Alternatively, an SOI substrate may be used as the semiconductor substrate 131 . The case where single crystal silicon is used as the semiconductor substrate 131 will be described below.

続いて、半導体基板131に素子分離層(図示せず)を形成する。素子分離層はLOC
OS(Local Oxidation of Silicon)法またはSTI(Sh
allow Trench Isolation)法、メサ分離法等を用いて形成すれば
よい。
Subsequently, a device isolation layer (not shown) is formed on the semiconductor substrate 131 . The isolation layer is LOC
OS (Local Oxidation of Silicon) method or STI (Sh
It may be formed using the allow Trench Isolation method, the mesa separation method, or the like.

同一基板上にp型のトランジスタとn型のトランジスタを形成する場合、半導体基板1
31の一部にnウェルまたはpウェルを形成してもよい。例えば、n型の半導体基板13
1にp型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してpウェルを形成し、同一
基板上にn型のトランジスタとp型のトランジスタを形成してもよい。
When forming a p-type transistor and an n-type transistor on the same substrate, a semiconductor substrate 1
A portion of 31 may form an n-well or p-well. For example, n-type semiconductor substrate 13
An impurity element such as boron that imparts p-type conductivity may be added to 1 to form a p-well, and an n-type transistor and a p-type transistor may be formed on the same substrate.

続いて、半導体基板131上にゲート絶縁膜134となる絶縁膜を形成する。例えば、
半導体基板131の表面を酸化し酸化シリコン膜を形成する。または、熱酸化法により酸
化シリコンを形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化す
ることにより、酸化シリコン膜と、酸化窒化シリコン膜の積層構造を形成してもよい。ま
たは、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、高誘電率物質(high-k材料ともいう)で
あるタンタル酸化物、酸化ハフニウム、酸化ハフニウムシリケート、酸化ジルコニウム、
酸化アルミニウム、酸化チタンなどの金属酸化物、または酸化ランタンなどの希土類酸化
物等を用いてもよい。
Subsequently, an insulating film to be the gate insulating film 134 is formed on the semiconductor substrate 131 . for example,
The surface of the semiconductor substrate 131 is oxidized to form a silicon oxide film. Alternatively, after forming silicon oxide by a thermal oxidation method, the surface of the silicon oxide film may be nitrided by performing nitriding treatment to form a stacked structure of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film. Alternatively, silicon oxide, silicon oxynitride, tantalum oxide which is a high dielectric constant substance (also referred to as high-k material), hafnium oxide, hafnium silicate oxide, zirconium oxide,
Metal oxides such as aluminum oxide and titanium oxide, rare earth oxides such as lanthanum oxide, and the like may also be used.

当該絶縁膜は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Depo
sition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法
、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Mo
lecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer
Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposit
ion)法等で成膜することにより形成してもよい。
The insulating film is formed by a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Depot
site) method (including thermal CVD method, MOCVD (Metal Organic CVD) method, PECVD (Plasma Enhanced CVD) method, etc.), MBE (Mo
Lecular Beam Epitaxy) method, ALD (Atomic Layer
Deposition) method, or PLD (Pulsed Laser Deposit
It may be formed by forming a film by an ion) method or the like.

続いて、ゲート電極135となる導電膜を成膜する。導電膜としては、タンタル、タン
グステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの
金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等
の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の
金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブ
デン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密
着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。
Subsequently, a conductive film to be the gate electrode 135 is formed. As the conductive film, it is preferable to use a metal selected from tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, chromium, niobium, or the like, or an alloy material or compound material containing these metals as main components. Alternatively, polycrystalline silicon doped with an impurity such as phosphorus can be used. Alternatively, a laminated structure of a metal nitride film and the above metal film may be used. As metal nitrides, tungsten nitride, molybdenum nitride, and titanium nitride can be used. By providing the metal nitride film, adhesion of the metal film can be improved and peeling can be prevented.

導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PEC
VD法等を含む)などにより成膜することができる。またプラズマによるダメージを減ら
すには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
The conductive film can be formed by a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method (thermal CVD method, MOCVD method, PEC
(including VD method, etc.). Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

続いて、当該導電膜上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、当該導電
膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、ゲート電極
135を形成することができる。
Subsequently, a resist mask is formed over the conductive film by a lithography method or the like, and unnecessary portions of the conductive film are removed. After that, the gate electrode 135 can be formed by removing the resist mask.

ここで、被加工膜の加工方法について説明する。加工方法として、様々な微細加工技術
を用いることができる。例えば、フォトリソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対
してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、フォトリソグラフィ法等でダミー
パターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターン
を除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチン
グしてもよい。また被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、
異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなる
ハードマスクを用いてもよい。
Here, a method for processing the film to be processed will be described. Various microfabrication techniques can be used as the processing method. For example, a method of performing slimming treatment on a resist mask formed by a photolithography method or the like may be used. Alternatively, a dummy pattern may be formed by photolithography or the like, a sidewall may be formed on the dummy pattern, the dummy pattern may be removed, and the remaining sidewall may be used as a resist mask to etch the film to be processed. In addition, in order to achieve a high aspect ratio as etching of the film to be processed,
Anisotropic dry etching is preferably used. A hard mask made of an inorganic film or a metal film may also be used.

レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長43
6nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる
。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。
また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外
光(EUV:Extreme Ultra-violet)やX線を用いてもよい。また
、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または
電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビーム
などのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
The light used for forming the resist mask is i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 43 nm), for example.
6 nm), h-line (wavelength 405 nm), or a mixture thereof can be used. In addition, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can also be used.
Moreover, you may expose by a liquid immersion exposure technique. As the light used for exposure, extreme ultraviolet light (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used. An electron beam can also be used instead of the light used for exposure. The use of extreme ultraviolet light, X-rays, or electron beams is preferable because extremely fine processing is possible. A photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.

また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密
着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばス
ピンコート法などにより、その下層の段差を被覆して表面を平坦化するように形成するこ
とができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減で
きる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対
する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有
機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti-Reflection
Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去
するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
Further, an organic resin film having a function of improving adhesion between the film to be processed and the resist film may be formed before forming the resist film serving as the resist mask. The organic resin film can be formed by, for example, a spin coating method or the like so as to cover the steps in the lower layer and flatten the surface. can be reduced. Further, particularly when fine processing is performed, it is preferable to use a material that functions as an antireflection film against the light used for exposure as the organic resin film. As an organic resin film having such a function, for example, BARC (Bottom Anti-Reflection
Coating) film and the like. The organic resin film may be removed at the same time as the resist mask is removed, or may be removed after the resist mask is removed.

これ以降、レジストマスクを用いた加工の記載については、例えばゲート電極135で
説明した加工方法を参照すればよい。また、本明細書では、被加工膜のエッチングを行っ
た後のレジスト除去の記載を省略する場合がある。
For the description of processing using a resist mask, the processing method described for the gate electrode 135 may be referred to hereinafter. Further, in this specification, the description of the removal of the resist after etching the film to be processed may be omitted.

ゲート電極135の形成後、ゲート電極135の側面を覆うサイドウォールを形成して
もよい。サイドウォールは、ゲート電極135の厚さよりも厚い絶縁膜を成膜した後に、
異方性エッチングを施し、ゲート電極135の側面部分のみ当該絶縁膜を残存させること
により形成できる。
After forming the gate electrode 135, sidewalls covering the side surfaces of the gate electrode 135 may be formed. After forming an insulating film thicker than the thickness of the gate electrode 135, the sidewalls are
It can be formed by anisotropic etching so that the insulating film remains only on the side portions of the gate electrode 135 .

図39には、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜のエッチングを行わない例を示す
が、サイドウォールの形成時にゲート絶縁膜134となる絶縁膜も同時にエッチングして
もよい。この場合はゲート電極135及びサイドウォールの下部にゲート絶縁膜134が
形成される。
FIG. 39 shows an example in which the gate insulating film is not etched when forming the sidewalls, but the insulating film to be the gate insulating film 134 may be etched at the same time when the sidewalls are formed. In this case, a gate insulating film 134 is formed under the gate electrode 135 and sidewalls.

続いて、半導体基板131のゲート電極135(及びサイドウォール)が設けられてい
ない領域にリンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を
付与する元素を添加する。この段階における断面概略図が図39(A)に相当する。
Subsequently, an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron is added to a region of the semiconductor substrate 131 where the gate electrode 135 (and sidewalls) is not provided. do. A schematic cross-sectional view at this stage corresponds to FIG.

続いて、絶縁膜136を形成した後、例えば上述した導電性を付与する元素の活性化の
ための加熱処理を行う。加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、また
は減圧雰囲気下にて、例えば400℃以上基板の歪み点未満で行うことができる。
Subsequently, after forming the insulating film 136, for example, heat treatment for activating the above-described element imparting conductivity is performed. The heat treatment can be performed in an inert gas atmosphere such as a rare gas or nitrogen gas, or in a reduced pressure atmosphere, for example, at a temperature of 400° C. or more and less than the strain point of the substrate.

絶縁膜136は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シ
リコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミ
ニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。絶縁膜136はスパッタリング法
、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法
またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ま
しくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ま
しい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはA
LD法が好ましい。
The insulating film 136 may be formed using silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like, and is provided as a stacked layer or a single layer. The insulating film 136 can be formed using a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, etc.), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. To reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD, or A
The LD method is preferred.

この段階でトランジスタ130が形成される。また、トランジスタ130を形成するの
と同様の方法で、第3のトランジスタ160を形成してもよい。
Transistor 130 is formed at this stage. Also, the third transistor 160 may be formed in a manner similar to that of forming the transistor 130 .

続いて、絶縁膜137及び絶縁膜138を形成する。 Subsequently, insulating films 137 and 138 are formed.

絶縁膜137は、絶縁膜136に用いることのできる材料のほか、酸素と水素を含む窒
化シリコン(SiNOH)を用いてもよい。また、絶縁膜138は、絶縁膜136に用い
ることのできる材料のほか、TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Sili
cate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差
被覆性の良い酸化シリコンを用いることが好ましい。
For the insulating film 137, a material that can be used for the insulating film 136, or silicon nitride containing oxygen and hydrogen (SiNOH) may be used. Insulating film 138 is made of a material that can be used for insulating film 136, or TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicon).
It is preferable to use silicon oxide which is formed by reacting cate) or silane with oxygen, nitrous oxide, or the like and having good step coverage.

絶縁膜137及び絶縁膜138は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、
MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用い
て形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法に
よって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによる
ダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
The insulating film 137 and the insulating film 138 are formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (thermal CVD method,
(including MOCVD, PECVD, etc.), MBE, ALD, PLD, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

続いて絶縁膜138の上面をCMP法等を用いて平坦化する。また、絶縁膜138とし
て平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもCMP法等で平坦化しなくともよい。
平坦化膜の形成には、例えば常圧CVD法や、塗布法などを用いることができる。常圧C
VD法を用いて形成できる膜としては例えば、BPSG(Boron Phosphor
us Silicate Glass)等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成でき
る膜としては例えば、HSQ(水素シルセスキオキサン)等が挙げられる。その後、半導
体層132中のダングリングボンドを絶縁膜137から脱離する水素によって終端するた
めの加熱処理を行ってもよい。
Subsequently, the upper surface of the insulating film 138 is planarized using the CMP method or the like. Alternatively, a planarization film may be used as the insulating film 138 . In that case, planarization by a CMP method or the like is not necessarily required.
For forming the planarization film, for example, an atmospheric pressure CVD method, a coating method, or the like can be used. Normal pressure C
Examples of films that can be formed using the VD method include BPSG (Boron Phosphor
US Silicate Glass) and the like. In addition, examples of films that can be formed using a coating method include HSQ (hydrogen silsesquioxane). After that, heat treatment may be performed to terminate dangling bonds in the semiconductor layer 132 with hydrogen released from the insulating film 137 .

続いて、絶縁膜136、絶縁膜137、及び絶縁膜138に低抵抗層133a、低抵抗
層133b及びゲート電極135等に達する開口を形成する(図39(B)参照)。その
後、開口を埋めるように導電膜を形成する(図39(C)参照)。その後、絶縁膜138
の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、プラグ139やプラ
グ140等を形成する(図39(D)参照)。導電膜の形成は、例えばスパッタリング法
、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法
またはPLD法などを用いて形成することができる。
Subsequently, openings reaching the low-resistance layers 133a and 133b, the gate electrode 135, and the like are formed in the insulating films 136, 137, and 138 (see FIG. 39B). After that, a conductive film is formed so as to fill the opening (see FIG. 39C). After that, the insulating film 138
The conductive film is planarized so that the top surface of the conductive film is exposed, thereby forming plugs 139, 140, and the like (see FIG. 39D). The conductive film can be formed using, for example, sputtering, CVD (including thermal CVD, MOCVD, PECVD, etc.), MBE, ALD, or PLD.

続いて、絶縁膜138上に絶縁膜215を成膜する。絶縁膜215は、絶縁膜136等
と同様の材料及び方法により形成することができる。絶縁膜215を形成した後、加熱処
理を行ってもよい。
Subsequently, an insulating film 215 is formed over the insulating film 138 . The insulating film 215 can be formed using a material and a method similar to those of the insulating film 136 and the like. Heat treatment may be performed after the insulating film 215 is formed.

第3の加熱処理は、上記積層構造の説明で例示した条件で行うことができる。例えば第
1の加熱処理で説明した条件などを用いることができる。
The third heat treatment can be performed under the conditions exemplified in the description of the laminated structure. For example, the conditions described in the first heat treatment can be used.

続いて絶縁膜215に開口部を形成する。その後、開口を埋めるように導電膜を形成し
、絶縁膜215の上面が露出するように、該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電
層251、導電層143及び導電層151等を形成する(図39(E)参照)。開口部に
導電膜を形成する場合には、例えば、窒化チタンやチタンなどの材料を、開口部に形成し
た後、他の導電材料を積層してもよい。例えば、窒化チタンやチタンを積層膜の下層に用
いることにより、開口部への密着性を向上させることができる。
Subsequently, an opening is formed in the insulating film 215 . After that, a conductive film is formed so as to fill the opening, and the conductive film is subjected to planarization treatment so that the upper surface of the insulating film 215 is exposed. (See FIG. 39(E)). When forming a conductive film in the opening, for example, a material such as titanium nitride or titanium may be formed in the opening and then another conductive material may be laminated. For example, by using titanium nitride or titanium as the lower layer of the laminated film, the adhesion to the opening can be improved.

続いて、バリア膜111を成膜し、開口部を形成する(図40(A)参照)。バリア膜
111は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD
法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。
特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性
を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱
CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。
Subsequently, a barrier film 111 is formed to form an opening (see FIG. 40A). The barrier film 111 is formed by sputtering, CVD (thermal CVD, MOCVD, PECVD), for example.
method, etc.), MBE method, ALD method, PLD method, or the like.
In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

続いて、導電層105、導電層152a及び導電層152bとなる導電膜を成膜する。
その後、エッチング等により導電層105、導電層152a及び導電層152bを形成す
る(図40(B)参照)。
Subsequently, conductive films to be the conductive layer 105, the conductive layer 152a, and the conductive layer 152b are formed.
After that, the conductive layer 105, the conductive layer 152a, and the conductive layer 152b are formed by etching or the like (see FIG. 40B).

次に、絶縁膜114を成膜する。絶縁膜114は、例えばスパッタリング法、CVD法
(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPL
D法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラ
ズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また
プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好
ましい。
Next, an insulating film 114 is formed. The insulating film 114 is formed by sputtering, CVD (including thermal CVD, MOCVD, PECVD, etc.), MBE, ALD, or PL, for example.
It can be formed using the D method or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

絶縁膜114に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜11
4の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜114に酸素を導入して酸素を過剰に含
有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
In order to make the insulating film 114 contain an excess amount of oxygen, for example, the insulating film 11 is heated under an oxygen atmosphere.
4 may be performed. Alternatively, a region containing excess oxygen may be formed by introducing oxygen into the insulating film 114 after deposition, or both means may be combined.

例えば、成膜後の絶縁膜114に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオ
ンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法
としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プ
ラズマ処理などを用いることができる。
For example, oxygen (including at least oxygen radicals, oxygen atoms, or oxygen ions) is introduced into the insulating film 114 after deposition to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As a gas containing oxygen,
For example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide and the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. or,
Hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen and argon may be used.

また、絶縁膜114を成型した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用い
た平坦化処理を行ってもよい。
Further, after the insulating film 114 is formed, planarization treatment using a CMP method or the like may be performed in order to improve the planarity of the upper surface.

次に、絶縁体層101aとなる半導体膜と、半導体層101bとなる半導体膜を順に成
膜する(図40(C)参照)。当該半導体膜は、大気に触れさせることなく連続して成膜
することが好ましい。絶縁体層101aとなる半導体、及び半導体層101bとなる半導
体は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成
膜すればよい。
Next, a semiconductor film to be the insulator layer 101a and a semiconductor film to be the semiconductor layer 101b are formed in this order (see FIG. 40C). The semiconductor film is preferably formed continuously without being exposed to the air. A semiconductor to be the insulator layer 101a and a semiconductor to be the semiconductor layer 101b may be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

なお、絶縁体層101aとなる半導体、及び半導体層101bとなる半導体として、I
n-Ga-Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチ
ルインジウム、トリメチルガリウム及びジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原
料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウム
などを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用い
てもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。
Note that I
When the n-Ga-Zn oxide layer is formed by the MOCVD method, trimethylindium, trimethylgallium, dimethylzinc, or the like may be used as source gases. Note that the combination of source gases is not limited to the above, and triethylindium or the like may be used instead of trimethylindium. Further, triethylgallium or the like may be used instead of trimethylgallium. Also, diethylzinc or the like may be used instead of dimethylzinc.

ここで、絶縁体層101aを形成した後に、絶縁体層101aに酸素を導入してもよい
。例えば、成膜後の絶縁体層101aに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素
イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入
方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法
、プラズマ処理などを用いることができる。
Here, oxygen may be introduced into the insulator layer 101a after the insulator layer 101a is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulator layer 101a after deposition to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As a gas containing oxygen,
For example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide and the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. or,
Hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen and argon may be used.

絶縁体層101a及び半導体層101bを成膜後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理
は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性
ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。ま
た、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うた
めに酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、半導体膜を成
膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の絶縁体層101a及び101b
を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114や酸化物膜から半導体膜に
酸素が供給され、半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。
Heat treatment may be performed after the insulator layer 101a and the semiconductor layer 101b are formed. The heat treatment may be performed at a temperature of 250° C. to 650° C., preferably 300° C. to 500° C. in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas, or under reduced pressure. Further, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more in order to compensate for desorbed oxygen after the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. The heat treatment may be performed immediately after the semiconductor film is formed, or the semiconductor film may be processed to form the island-shaped insulator layers 101a and 101b.
may be performed after forming the By the heat treatment, oxygen is supplied from the insulating film 114 or the oxide film to the semiconductor film, so that oxygen vacancies in the semiconductor film can be reduced.

その後、レジストマスクを用いて、島状の絶縁体層101aと島状の半導体層101b
の積層構造を形成する(図40(D)参照)。なお、半導体膜のエッチングの際に、絶縁
膜114の一部がエッチングされ、絶縁体層101a及び半導体層101bに覆われてい
ない領域における絶縁膜114が薄膜化することがある。したがって、当該エッチングに
より絶縁膜114が消失しないよう、予め厚く形成しておくことが好ましい。
After that, using a resist mask, the island-shaped insulator layer 101a and the island-shaped semiconductor layer 101b are formed.
is formed (see FIG. 40(D)). Note that part of the insulating film 114 is etched when the semiconductor film is etched, and the insulating film 114 in a region not covered with the insulating layer 101a and the semiconductor layer 101b is thinned in some cases. Therefore, it is preferable to form the insulating film 114 thick in advance so that the insulating film 114 is not lost by the etching.

なお、半導体膜のエッチング条件によっては、レジストがエッチング工程中に消失して
しまう場合があるため、エッチングの耐性が高い材料、例えば無機膜または金属膜からな
るいわゆるハードマスクを用いてもよい。ここでハードマスク281として、導電膜を用
いる例を示す。図41(A)は、ハードマスク281を用いて半導体膜を加工し、絶縁体
層101a及び半導体層101bを形成する例をしめす。ここで、ハードマスク281に
導電層104a及び導電層104bとして用いることができる材料を用いれば、ハードマ
スク281を加工し、導電層104a及び導電層104bを形成することができる。この
ような方法を用いることにより、例えば図30に示すトランジスタ100を作製すること
ができる。
Since the resist may disappear during the etching process depending on the etching conditions of the semiconductor film, a so-called hard mask made of a material with high etching resistance such as an inorganic film or a metal film may be used. Here, an example using a conductive film as the hard mask 281 is shown. FIG. 41A shows an example of processing a semiconductor film using a hard mask 281 to form an insulator layer 101a and a semiconductor layer 101b. Here, if a material that can be used for the conductive layers 104a and 104b is used for the hard mask 281, the hard mask 281 can be processed to form the conductive layers 104a and 104b. By using such a method, for example, the transistor 100 shown in FIG. 30 can be manufactured.

図40(D)に示す構造を形成した後、絶縁膜114に導電層151、導電層251等
に達する開口部を設ける(図41(B)参照)。その後、絶縁膜114に設けた開口部を
埋め込むように、導電層104a、導電層104b等となる導電膜を成膜する。導電層1
04a、導電層104b等となる導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(
熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD
法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズ
マCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプ
ラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ま
しい。
After forming the structure shown in FIG. 40D, openings reaching the conductive layers 151, 251, and the like are provided in the insulating film 114 (see FIG. 41B). After that, a conductive film to be the conductive layers 104 a , 104 b , and the like is formed so as to fill the openings provided in the insulating film 114 . conductive layer 1
04a, the conductive layer 104b, etc. can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (
including thermal CVD, MOCVD, PECVD, etc.), MBE, ALD or PLD
It can be formed using a method or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

次に、レジストマスクを用いて、導電層104a、導電層104b等となる導電膜の不
要な部分をエッチングにより除去し、導電層104a及び導電層104b等を形成する(
図41(C)参照)。ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層101bや絶縁膜1
14の上部の一部がエッチングされ、導電層104a及び導電層104bと重ならない部
分が薄膜化することがある。したがって、半導体層101bとなる半導体膜等の厚さを、
エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。
Next, using a resist mask, unnecessary portions of the conductive film to be the conductive layers 104a, 104b, and the like are removed by etching to form the conductive layers 104a, 104b, and the like (
See FIG. 41(C)). Here, when the conductive film is etched, the semiconductor layer 101b and the insulating film 1 are etched.
A part of the upper part of 14 may be etched, and the part which does not overlap with the conductive layer 104a and the conductive layer 104b may become thin. Therefore, the thickness of the semiconductor film or the like that becomes the semiconductor layer 101b is
It is preferable to form a thick film in advance in consideration of the etching depth.

次に、絶縁体層101c及びゲート絶縁膜102を成膜する。その後、レジストマスク
を用いて、エッチングにより加工する(図42(A)参照)。次にゲート電極103とな
る導電膜を成膜し、レジストマスクを用いて該導電膜を加工し、ゲート電極103を形成
する(図42(B)参照)。
Next, an insulator layer 101c and a gate insulating film 102 are formed. After that, etching is performed using a resist mask (see FIG. 42A). Next, a conductive film to be the gate electrode 103 is formed and processed using a resist mask to form the gate electrode 103 (see FIG. 42B).

なお、絶縁体層101cの成膜方法については、例えば絶縁体層101aを参照すれば
よい。
For the method of forming the insulator layer 101c, refer to the insulator layer 101a, for example.

また絶縁体層101cを形成した後に、絶縁体層101cに酸素を導入してもよい。例
えば、成膜後の絶縁体層101cに酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオ
ンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法
としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プ
ラズマ処理などを用いることができる。
Alternatively, oxygen may be introduced into the insulator layer 101c after the insulator layer 101c is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulator layer 101c after deposition to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、
例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができ
る。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、
水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いると
よい。
A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As a gas containing oxygen,
For example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide and the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. or,
Hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen and argon may be used.

この段階でトランジスタ100が形成される。 Transistor 100 is formed at this stage.

次に、絶縁膜112を形成する。絶縁膜112は、例えばスパッタリング法、CVD法
(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPL
D法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラ
ズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また
プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好
ましい。
Next, an insulating film 112 is formed. The insulating film 112 is formed by sputtering, CVD (including thermal CVD, MOCVD, PECVD, etc.), MBE, ALD, or PL, for example.
It can be formed using the D method or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method because coverage can be improved. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

絶縁膜112の成膜後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜114等か
ら半導体層101に対して酸素を供給し、半導体層101中の酸素欠損を低減することが
できる。
After the insulating film 112 is formed, heat treatment may be performed. By heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating film 114 or the like to the semiconductor layer 101, and oxygen vacancies in the semiconductor layer 101 can be reduced.

また、絶縁膜112を2層以上の積層構造としてもよい。 Alternatively, the insulating film 112 may have a stacked structure of two or more layers.

続いて、絶縁膜113を形成する。絶縁膜113は、例えばスパッタリング法、CVD
法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはP
LD法などを用いて形成することができる。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD
法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラ
ズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好まし
い。
Subsequently, an insulating film 113 is formed. The insulating film 113 is formed by sputtering or CVD, for example.
method (including thermal CVD method, MOCVD method, PECVD method, etc.), MBE method, ALD method or P
It can be formed using an LD method or the like. In particular, CVD methods, preferably plasma CVD
It is preferable to form a film by a method because good coverage can be obtained. Thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable for reducing plasma damage.

続いて、絶縁膜113、絶縁膜112、ゲート絶縁膜102及び絶縁体層101cに、
導電層104a等に達する開口部を設ける。次いで、開口部を埋め込むように導電膜を形
成した後、レジストマスクを用いて不要部分を除去し、プラグ321及びプラグ322を
形成する。
Subsequently, the insulating film 113, the insulating film 112, the gate insulating film 102, and the insulating layer 101c are
An opening reaching the conductive layer 104a and the like is provided. Next, after forming a conductive film so as to fill the openings, unnecessary portions are removed using a resist mask to form plugs 321 and 322 .

続いて、絶縁膜116を形成する。絶縁膜116は、例えばスパッタリング法、CVD
法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはP
LD法などを用いて形成することができる。また絶縁膜116として有機樹脂などの有機
絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また
、絶縁膜116を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。また
、絶縁膜116として、絶縁膜138に示す材料や、形成方法を用いてもよい。
Subsequently, an insulating film 116 is formed. The insulating film 116 is formed by, for example, a sputtering method or a CVD method.
method (including thermal CVD method, MOCVD method, PECVD method, etc.), MBE method, ALD method or P
It can be formed using an LD method or the like. Further, when an organic insulating material such as an organic resin is used as the insulating film 116, a coating method such as a spin coating method may be used. Further, it is preferable to perform planarization treatment on the upper surface of the insulating film 116 after the formation of the insulating film 116 . Alternatively, the insulating film 116 may be formed using the material and formation method of the insulating film 138 .

続いて、上記と同様の方法により、絶縁膜116に、プラグ322に達するプラグ12
3等を形成する。
Subsequently, the plug 12 reaching the plug 322 is formed on the insulating film 116 by a method similar to that described above.
Form 3rd class.

続いて、絶縁膜116上に導電膜を成膜する。その後上記と同様の方法によりレジスト
マスクを用いて導電膜の不要な部分をエッチングにより除去し、配線124等を形成する
ことができる。
Subsequently, a conductive film is formed over the insulating film 116 . After that, unnecessary portions of the conductive film are removed by etching using a resist mask by a method similar to that described above, so that the wiring 124 and the like can be formed.

以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。 Through the above steps, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be manufactured.

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回路の一例について図面
を参照して説明する。
(Embodiment 7)
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.

[回路構成例]
実施の形態1を適用する半導体装置において示した構成において、トランジスタや配線
、電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下で
は、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する
[Example of circuit configuration]
Various circuits can be formed by changing the connection structures of transistors, wirings, and electrodes in the structure shown in the semiconductor device to which Embodiment 1 is applied. 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回路〕
図37(C)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型の
トランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCM
OS回路の構成を示している。なお図中、第2の半導体材料が適用されたトランジスタに
は「OS」の記号を付して示している。ここで、本実施の形態で示すCMOS回路は、N
AND回路、NOR回路、エンコーダ、デコーダ、MUX(multiplamplif
ier)、DEMUX(demultiplexer)などの論理回路の基本素子として
利用されうる。
[CMOS circuit]
The circuit diagram shown in FIG. 37C is a so-called CM transistor in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected.
1 shows the configuration of an OS circuit. Note that in the drawings, the transistor to which the second semiconductor material is applied is indicated by the symbol "OS". Here, the CMOS circuit shown in this embodiment has N
AND circuit, NOR circuit, encoder, decoder, MUX (multiplamplif
ier), DEMUX (demultiplexer), etc., as basic elements of logic circuits.

〔アナログスイッチ〕
また図37(D)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそ
れぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、
いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
[Analog switch]
The circuit diagram in FIG. 37D 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 analog switch.

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8)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を有する表示モジュールについて、図
27を用いて説明を行う。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a display module including a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図27に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002と
の間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続され
た表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリ8011を有する。
A display module 8000 shown in FIG.
0, with battery 8011;

本発明の一態様の半導体装置は、例えば、表示パネル8006に用いることができる。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for the display panel 8006, for example.

上部カバー8001及び下部カバー8002は、タッチパネル8004及び表示パネル
8006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 8001 and the lower cover 8002 can be appropriately changed according to the sizes of the touch panel 8004 and the display panel 8006 .

タッチパネル8004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
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006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、表示パネル8
006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
As the touch panel 8004 , a resistive or capacitive touch panel can be used by overlapping the display panel 8006 . In addition, it is possible to provide a counter substrate (sealing substrate) of the display panel 8006 with a touch panel function. Also, the display panel 8
An optical sensor can be provided in each pixel of 006 to form an optical touch panel.

バックライト8007は、光源8008を有する。なお、図27において、バックライ
ト8007上に光源8008を配置する構成について例示したが、これに限定さない。例
えば、バックライト8007の端部に光源8008を配置し、さらに光拡散板を用いる構
成としてもよい。なお、有機EL素子等の自発光型の発光素子を用いる場合、または反射
型パネル等の場合においては、バックライト8007を設けない構成としてもよい。
The backlight 8007 has a light source 8008 . Note that FIG. 27 illustrates the configuration in which the light source 8008 is arranged over the backlight 8007, but the configuration is not limited to this. For example, the light source 8008 may be arranged at the end of the backlight 8007, and a light diffusion plate may be used. Note that in the case of using a self-luminous light-emitting element such as an organic EL element or in the case of a reflective panel or the like, the backlight 8007 may not be provided.

フレーム8009は、表示パネル8006の保護機能の他、プリント基板8010の動
作により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8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
The frame 8009 has a function of protecting the display panel 8006 as well as a function as an electromagnetic shield for blocking electromagnetic waves generated by the operation of the printed circuit board 8010 . The frame 8009 may also function as a heat sink.

プリント基板8010は、電源回路、ビデオ信号及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8011による電源であってもよい。バッテリ8011は
、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
The printed circuit board 8010 has a power supply circuit, a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. A power supply for supplying power to the power supply circuit may be an external commercial power supply, or may be a power supply using a battery 8011 provided separately. The battery 8011 can be omitted when a commercial power supply is used.

また、表示モジュール8000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。
In addition, the display module 8000 may be additionally provided with members such as a polarizing plate, a retardation plate, and a prism sheet.

本実施の形態に示す表示モジュール8000は、可撓性を有してもよい。可撓性を有する
ことにより曲面や異形の形状上に貼り合わせることが可能となり、多種多様の用途が実現
する。
The display module 8000 described in this embodiment may have flexibility. Having flexibility makes it possible to bond onto a curved surface or an irregular shape, realizing a wide variety of uses.

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

(実施の形態9)
本実施の形態では、上記実施の形態で例示したトランジスタ、または記憶装置を含むR
Fタグについて、図28を用いて説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment mode, an R transistor including the transistor or the memory device exemplified in the above embodiment mode is used.
The F tag will be explained with reference to FIG. 28 .

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28を用いて説明する。図28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. 28 is a block diagram showing a configuration example of an RF tag.

図28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
804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路
807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している
。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑
制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これ
により、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和すること
を防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることが
できる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信
を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信す
る電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方
式に用いることも可能である。
As shown in FIG. 28, an RF tag 800 has an antenna 804 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also called interrogator, reader/writer, etc.). The RF tag 800 also has a rectifying circuit 805 , a constant voltage circuit 806 , a demodulating circuit 807 , a modulating 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 due to 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
805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整
流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平
滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側ま
たは出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅
が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しない
ように制御するための回路である。
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 805 rectifies, for example, half-wave double voltage rectification of an input AC signal generated by receiving a radio signal at the antenna 804, and converts the rectified signal by a capacitive element provided in the latter stage. This is a circuit for generating an input potential by smoothing. 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8
09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 utilizes the stable rise of the power supply voltage to generate the logic circuit 8
09 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
応じて変調をおこな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. A memory circuit 810 is a circuit that holds input information, and includes a row decoder, a column decoder, a memory 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記憶回路を、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 memory circuit described in the above embodiment 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.

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10)
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を
備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Dis
c等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いるこ
とができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器
として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、
デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレ
イ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプ
レイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払
い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図57に示す
(Embodiment 10)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device (typically a DVD: Digital Versatile Disc) provided with a recording medium.
It can be used for a device having a display capable of reproducing a recording medium such as c and displaying an image thereof. In addition, electronic devices that can use the semiconductor device of one embodiment of the present invention include mobile phones, game machines including portable types, portable data terminals, electronic books, video cameras,
Cameras such as digital still cameras, goggle-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, multi-function printers, automatic teller machines (ATMs) ), vending machines, etc. Specific examples of these electronic devices are shown in FIG.

図57(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示
部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス90
8等を有する。なお、図57(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表
示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されな
い。
FIG. 57A shows a portable game machine including a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, and a stylus 90.
8 etc. Note that the portable game machine shown in FIG. 57A has two display portions 903 and 904, but the number of display portions in the portable game machine is not limited to this.

図57(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部
913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部91
3は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられて
いる。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されてお
り、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能であ
る。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体
912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913及
び第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装
置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパ
ネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォ
トセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加すること
ができる。
FIG. 57B shows a portable data terminal including a first housing 911, a second housing 912, a first display portion 913, a second display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. First display section 91
3 is provided in the first housing 911 and the second display unit 914 is provided in the second housing 912 . The first housing 911 and the second housing 912 are connected by a connecting portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connecting portion 915. be. The image on the first display unit 913 may be switched according to the angle between the first housing 911 and the second housing 912 at the connection unit 915 . Also, at least one of the first display unit 913 and the second display unit 914 may be a display device added with a function as a position input device. A function as a position input device can be added by providing a touch panel to the display device. Alternatively, the function of a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element, also called a photosensor, in a pixel portion of a display device.

図57(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、
キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
FIG. 57C shows a notebook personal computer including a housing 921, a display portion 922,
It has a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図57(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉9
33等を有する。
FIG. 57(D) shows an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator compartment door 932, and a freezer compartment door 9.
33, etc.

図57(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943
、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944及びレンズ
945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられて
いる。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されてお
り、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能であ
る。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体94
2との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
FIG. 57E shows a video camera including a first housing 941, a second housing 942, and a display portion 943.
, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation keys 944 and the lens 945 are provided on the first housing 941 , and the display section 943 is provided on the second housing 942 . The first housing 941 and the second housing 942 are connected by a connecting portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connecting portion 946. be. The image on the display unit 943 is displayed on the first housing 941 and the second housing 94 on the connection unit 946.
It is good also as a structure which switches according to the angle between 2.

図57(F)は普通自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、
ライト954等を有する。
FIG. 57(F) is an ordinary automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953,
It has a light 954 and the like.

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RFタグの使用例について図56を用いなが
ら説明する。RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記
名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図56(A)参照)、包装用容器類(包装紙
やボトル等、図56(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図56(B)参
照)、乗り物類(自転車等、図56(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56(E)、図56(F)参照)等に設けて使用することが
できる。
(Embodiment 11)
In this embodiment, a usage example of an RF tag according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. RF tags are used in a wide range of applications. bottles, etc., see FIG. 56(C)), recording media (DVDs, video tapes, etc., see FIG. 56(B)), vehicles (bicycles, etc., see FIG. 56(D)), personal items (bags, glasses, etc.) , food,
Plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, medical products including medicines and drugs, or electronic devices (
(liquid crystal display device, EL display device, television device, or mobile phone) or a tag attached to each article (see FIGS. 56(E) and 56(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。
By sticking or embedding the RF tag 4000 according to one aspect of the present invention on a surface,
Fixed to an article. 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 the RF tag according to one embodiment of the present invention for each application described in this embodiment, the operating power including writing and reading of information can be reduced, and thus the maximum communication distance can be increased. becomes possible. 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.

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.

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

なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除
くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限
値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めること
で、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規
定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内
に入らないことを規定することができる。
It should be noted that it is possible to constitute one aspect of the invention in which content that is not specified in the drawings or text in the specification is excluded. Alternatively, if a numerical range is indicated with an upper limit and a lower limit for a certain value, the range may be narrowed by arbitrarily narrowing the range or removing one point in the range. It is possible to define one aspect of the invention excluding some aspects. These can define, for example, that prior art does not fall within the technical scope of one aspect of the present invention.

具体例としては、ある回路において、第1乃至第5のトランジスタを用いている回路図
が記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないこ
とを発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していな
いことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとって
いるような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる
。または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規
定して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接
続されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。
または、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を
有していない、と発明を規定することが可能である。
As a specific example, it is assumed that a circuit diagram using first to fifth transistors is described in a certain circuit. In that case, it is possible to stipulate as an invention that the circuit does not have a sixth transistor. Alternatively, it is possible to specify that the circuit has no capacitive elements. Furthermore, the invention can be constructed by stipulating that the circuit does not have a sixth transistor having a specific connection structure. Alternatively, the invention can be configured by stipulating that the circuit does not have a capacitive element having a specific connection structure. For example, it is possible to define the invention as not having a sixth transistor whose gate is connected to the gate of a third transistor.
Alternatively, for example, it is possible to define the invention as not having a capacitive element whose first electrode is connected to the gate of the third transistor.

別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」
と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除
く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機
絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば
、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。ま
たは、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが
可能である。
As another specific example, regarding the property of a certain substance, for example, "a certain film is an insulating film"
Suppose that it is described as In that case, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an organic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the insulating film is an inorganic insulating film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a conductive film. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be defined as excluding the case where the film is a semiconductor film.

別の具体例としては、ある積層構造について、例えば、「A膜とB膜との間に、ある膜
が設けられている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、4層以上の
積層膜である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜と
その膜との間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能であ
る。
As another specific example, for a certain laminated structure, it is assumed that "a certain film is provided between the A film and the B film". In that case, for example, it is possible to define the invention as excluding the case where the film is a laminated film of four or more layers. Alternatively, for example, it is possible to define the invention as excluding the case where a conductive film is provided between the A films.

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。そして、その発明の一態様は明確であると言える。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、半導体層、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もしく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。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、ま
たは、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは
、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」
、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの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 may constitute one aspect of the invention. It shall be possible. And it can be said that one aspect of the invention is clear. Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitive elements, resistive elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductor layers, organic materials, inorganic materials, parts, devices, operation methods, manufacturing methods In the drawings or sentences in which one or more of etc. are described, a part thereof can be taken out to constitute one aspect of the invention. For example, N (N
is an integer) of circuit elements (transistors, capacitive elements, etc.), M (M is an integer, M<N) circuit elements (transistors, capacitive elements, etc.) are extracted, It is possible to configure one aspect of the invention. As another example, one embodiment of the invention is configured by extracting M layers (M is an integer and M<N) from a cross-sectional view configured with N layers (N is an integer). It is possible to As yet another example, one aspect of the invention is constructed by extracting M elements (M is an integer and M<N) from a flow chart having N elements (N is an integer). It is possible to As yet another example, from a sentence that states "A has B, C, D, E, or F," some elements can be arbitrarily extracted to read, "A has B and E has", "A has E and F", "A has C and E and F"
, or one aspect of the invention such as "A has B, C, D and E".

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、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すこと
は、当業者であれば容易に理解される。したがって、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、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位
概念も、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。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
In this specification and the like, when at least one specific example is described in a diagram or text described in a certain embodiment, it is easy for a person skilled in the art to derive a generic concept of the specific example. be understood by Therefore, when at least one specific example is described in a drawing or text described in a certain embodiment, the broader concept of the specific example is also disclosed as one aspect of the invention. Aspects can be configured. And one aspect of the invention can be said to be clear.

なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)
は、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。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べてい
なくても、その内容は、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。同様に、図の一部を取り出した図についても、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。そして、
その発明の一態様は明確であると言える。
In addition, in this specification etc., at least the contents described in the figure (may be part of the figure)
is disclosed as one aspect of the invention, and can constitute one aspect of the invention. Therefore, as long as a certain content is described in a drawing, the content is disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention even if it is not described using sentences. It is possible. Similarly, a drawing obtained by extracting a part of the drawing is also disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. and,
It can be said that one aspect of the invention is clear.

本実施例では、本発明の一態様である酸化物半導体膜の評価結果について説明する。 Example 1 In this example, evaluation results of an oxide semiconductor film that is one embodiment of the present invention will be described.

[作製方法]
シリコンウェハに熱酸化を施して酸化シリコン膜を100nm形成した。その後、酸化
物半導体膜として、スパッタリング法によりIn-Ga-Zn酸化物を100nm形成し
た。スパッタリング法の条件として、ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子
数比)の多結晶のIn-Ga-Zn酸化物を用い、電源は0.5kW(DC)とし、基板
とターゲット間の距離は60mmとした。また成膜ガスとしてアルゴン及び酸素を用い、
それぞれの流量はアルゴンを30sccm、酸素を15sccmとした。圧力は、0.4
Paとした。基板温度は、試料E1-1では170℃とし、試料F1-1では300℃と
した。
[Manufacturing method]
A silicon wafer was thermally oxidized to form a silicon oxide film with a thickness of 100 nm. After that, as an oxide semiconductor film, an In--Ga--Zn oxide was formed with a thickness of 100 nm by a sputtering method. As conditions for the sputtering method, a polycrystalline In--Ga--Zn oxide of In:Ga:Zn=1:1:1 (atomic ratio) was used as the target, the power supply was 0.5 kW (DC), and the substrate and The distance between targets was 60 mm. Argon and oxygen are used as film forming gases,
The respective flow rates were 30 sccm for argon and 15 sccm for oxygen. pressure is 0.4
Pa. The substrate temperature was 170° C. for the sample E1-1 and 300° C. for the sample F1-1.

次に、熱処理を行った。熱処理条件は、450℃にて、窒素雰囲気下において加熱処理
を1時間行った後、同じ処理室内にて、450℃において酸素雰囲気下において加熱処理
を1時間行った。
Next, heat treatment was performed. The heat treatment conditions were as follows: heat treatment was performed at 450° C. in a nitrogen atmosphere for 1 hour, and then heat treatment was performed in the same treatment chamber at 450° C. in an oxygen atmosphere for 1 hour.

[XRD評価]
次にXRD装置を用いて評価を行った結果を説明する。XRD装置は、多機能薄膜材料
評価X線回折装置D8 DISCOVER Hybrid(Bruker AXS社製)
を用いて、各試料の評価を行った。図43はOut-Of-Plane法による解析結果
である。図43(A)に試料E1-1、(B)に試料F1-1の結果を示す。いずれの試
料でも2θ=31°近傍にピークがみられた。170℃で成膜した条件はピークがブロー
ドで、300℃で成膜した条件ではピークがより鋭くなる傾向がみられた。このピークは
、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、成膜温度をより高くす
ることによりc軸配向性を有する酸化物半導体膜の結晶が増加すると示唆される。
[XRD evaluation]
Next, the results of evaluation using an XRD apparatus will be described. The XRD device is a multifunctional thin film material evaluation X-ray diffraction device D8 DISCOVER Hybrid (manufactured by Bruker AXS).
was used to evaluate each sample. FIG. 43 shows the analysis results by the Out-Of-Plane method. FIG. 43A shows the results of the sample E1-1, and FIG. 43B shows the results of the sample F1-1. A peak was observed near 2θ=31° in all samples. There was a tendency for the peak to be broad under the condition of film formation at 170°C, and to become sharper under the condition of film formation at 300°C. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, it is suggested that the number of crystals in the oxide semiconductor film having c-axis orientation increases as the film formation temperature increases.

[膜密度評価]
次に、膜密度を測定した。膜密度の評価には、XRR(X線反射率法:X-ray R
eflectometry)を用いた。得られた膜密度は、試料E1-1が6.18[g
/cm]、試料F1-1が6.36[g/cm]であった。いずれの条件においても
緻密で良好な膜が得られた。
[Film density evaluation]
Next, the film density was measured. XRR (X-ray reflectance method: X-ray R
(reflectometry) was used. The resulting film density was 6.18 [g for sample E1-1.
/cm 3 ], and sample F1-1 was 6.36 [g/cm 3 ]. A fine and good film was obtained under any conditions.

[ナノビーム電子回折]
次に、試料E1-1及び試料F1-1について、ナノビーム電子回折による解析を行っ
た。電子回折の取得には、日立ハイテクノロジーズ製「HF-2000」を用いた。加速
電圧は200kVとした。
[Nanobeam electron diffraction]
Next, samples E1-1 and F1-1 were analyzed by nanobeam electron diffraction. "HF-2000" manufactured by Hitachi High-Technologies was used for the acquisition of electron diffraction. The acceleration voltage was set to 200 kV.

酸化物半導体膜を有する各試料の上面に対し、少しずつサンプルステージを移動してス
キャンを行いながら透過電子回折パターンを取得した。電子線としてプローブ径が1nm
のナノビーム電子線を用いた。また各試料とも3箇所で同様の測定を行った。つまり各試
料において、scan1乃至scan3の合計3回のスキャンを行った。
A transmission electron diffraction pattern was obtained while the top surface of each sample having an oxide semiconductor film was scanned by gradually moving the sample stage. Probe diameter is 1 nm as electron beam
of nanobeam electron beam was used. Also, the same measurement was performed at three locations for each sample. That is, each sample was scanned a total of three times from scan1 to scan3.

5nm/秒の速度でスキャンしながら回折パターンを観測し、動画を取得した。次に、
得られた動画で観測された回折パターンを、0.5秒ごとに静止画に変換した。変換した
静止画を解析し、nc-OS膜のパターンと、CAAC-OS膜のパターンと、スピネル
型の結晶構造のパターンとの3つに分類した。試料E1-1および試料F1-1について
、Scan1乃至Scan3において各パターンに分類された画像数を表3に示す。また
、試料E1-1の電子回折パターンのscan1の結果を図44乃至図48に、試料F1
-1のscan1の結果を図49乃至図53に示す。また、図44乃至図48に示す電子
回折の結果のうち、CAAC-OS膜のパターンと判断されたものを破線で囲み、示した
。また、図49乃至図53に示す電子回折の結果のうち、nc-OS膜のパターンと判断
されたものを破線で囲み、示した。
A diffraction pattern was observed while scanning at a speed of 5 nm/sec, and a moving image was acquired. next,
The diffraction pattern observed in the obtained moving image was converted into a still image every 0.5 seconds. The converted still images were analyzed and classified into three patterns: nc-OS film patterns, CAAC-OS film patterns, and spinel-type crystal structure patterns. Table 3 shows the number of images classified into each pattern in Scan1 to Scan3 for sample E1-1 and sample F1-1. Also, the results of scan 1 of the electron diffraction pattern of sample E1-1 are shown in FIGS.
The results of -1 scan1 are shown in FIGS. Among the results of electron diffraction shown in FIGS. 44 to 48, those judged to be the patterns of the CAAC-OS film are shown enclosed by dashed lines. In addition, among the results of electron diffraction shown in FIGS. 49 to 53, those judged to be patterns of the nc-OS film are shown surrounded by broken lines.

Figure 2023078135000003
Figure 2023078135000003

試料E1-1では、nc比率は90%以上と高い値を示した。成膜温度をより低くする
ことにより、nc比率はより高まることがわかった。また、いずれの試料においても、n
c比率とCAAC比率の和は100%であった。
Sample E1-1 exhibited a high nc ratio of 90% or more. It was found that the nc ratio was increased by lowering the deposition temperature. Also, in any sample, n
The sum of the c ratio and the CAAC ratio was 100%.

本実施例ではIn-Ga-Zn酸化物の膜密度評価結果及びTDS(Thermal
Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析の結果を
示す。
In this example, the film density evaluation result of In-Ga-Zn oxide and TDS (Thermal
Desorption Spectroscopy (Temperature Desorption Spectroscopy) analysis results are shown.

予め洗浄処理した石英基板の上に、スパッタリング法を用いてIn-Ga-Zn酸化物
を成膜した。ターゲットはIn:Ga:Zn=1:1:1(原子数比)の多結晶のIn-
Ga-Zn酸化物を用いた。成膜条件は、電源電力が100Wとし、成膜ガスとしてアル
ゴン及び酸素を用い、アルゴンガスと酸素ガスの流量の総量に対し、酸素ガスの流量が2
%となるように流量を調整した。圧力は、0.4Paもしくは1.0Paとした。基板温
度は室温とした。成膜条件、及び膜密度を表4に示す。sampleB及びsample
Dは、スパッタリング法によりIn-Ga-Zn酸化物を成膜した後、450℃で熱処理
を行った。膜密度の評価は、XRRを用いた。表4に示すように、sampleCでは密
度は6[g/cm]以上と高い値を示した。
An In--Ga--Zn oxide film was formed by a sputtering method on a quartz substrate that had been cleaned in advance. The target is polycrystalline In- of In:Ga:Zn=1:1:1 (atomic ratio)
Ga--Zn oxide was used. The film formation conditions were as follows: power source power was 100 W; argon and oxygen were used as film formation gases;
%. The pressure was set to 0.4 Pa or 1.0 Pa. The substrate temperature was room temperature. Table 4 shows film formation conditions and film densities. sampleB and sample
In D, a heat treatment was performed at 450° C. after forming an In—Ga—Zn oxide film by a sputtering method. XRR was used to evaluate film density. As shown in Table 4, sample C exhibited a high density of 6 [g/cm 3 ] or more.

Figure 2023078135000004
Figure 2023078135000004

次に、sampleA乃至sampleDについて、TDS分析を行った。分子量が1
8の脱ガスの放出量を図54(A)及び(B)に示す。分子量が18の脱ガスはHO由
来と考えられる。sampleAでは放出量が大きく、熱処理を行ったsampleBで
は放出量が減少した。膜密度の高いsampleCでは熱処理を行わなくてもガス放出量
は小さく、膜中に含まれる水分量が小さいと考えられる。
Next, TDS analysis was performed on sampleA to sampleD. molecular weight is 1
54(A) and (B) show the amount of degassing of No. 8. Outgassing with a molecular weight of 18 is believed to be from H2O . The release amount was large in sample A, and the release amount was decreased in sample B subjected to heat treatment. Sample C, which has a high film density, is considered to have a small amount of gas released even without heat treatment and a small amount of water contained in the film.

次に、sampleA乃至sampleDについて、電子線照射による結晶の大きさ(
結晶サイズ)の変化を評価した。結晶サイズは、TEMを用いて断面を観察し、算出した
。TEMを用いて電子線照射を行い、累積照射量と結晶サイズの関係を評価した結果を図
55に示す。sampleAでは電子線照射を行う毎に結晶が大きくなる傾向がみられた
。ここで、電子線照射を行う前の結晶サイズは、例えば図55に示す近似線において累積
照射量が0[e/nm]の値とすればよい。熱処理を行ったsampleBでは、結
晶の大きさの変化が小さくなった。また、膜密度の高いsampleC及びsample
Dでは、電子線の累積照射量が4.2×10[e/nm]までの範囲において結晶
の大きさに顕著な変化はみられなかった。
Next, for sampleA to sampleD, the crystal size (
crystal size) was evaluated. The crystal size was calculated by observing the cross section using a TEM. FIG. 55 shows the results of evaluating the relationship between the cumulative dose and the crystal size by performing electron beam irradiation using a TEM. In sample A, crystals tended to grow larger each time electron beam irradiation was performed. Here, the crystal size before electron beam irradiation may be set to a value where the cumulative dose is 0 [e /nm 2 ] on the approximate line shown in FIG. 55, for example. In sample B subjected to heat treatment, the change in crystal size was small. In addition, sample C and sample with high film density
In D, no significant change in the crystal size was observed in the range of the cumulative dose of the electron beam up to 4.2×10 8 [e /nm 2 ].

本実施例では、酸化物半導体膜の安定性について評価した。試料1、試料2および試料3
の作製方法を以下に示す。
In this example, the stability of the oxide semiconductor film was evaluated. Sample 1, Sample 2 and Sample 3
is shown below.

まずは、石英基板上に、RFスパッタリング法により、厚さ100nmのIn-Ga-Z
n酸化物を成膜する。ターゲットは、多結晶のIn-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Z
n=1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを2sccmおよびアル
ゴンガスを98sccmとした。また、電力は100Wとした。また、成膜時の基板温度
は室温とした。ここで、試料1は成膜圧力を0.4Paとした。また、試料2は成膜圧力
を1.0Paとした。
First, an In--Ga--Z film having a thickness of 100 nm was formed on a quartz substrate by RF sputtering.
An n-oxide is deposited. The target is a polycrystalline In--Ga--Zn oxide (In:Ga:Z
n=1:1:1 [atomic number ratio]) was used. The deposition gas was oxygen gas at 2 sccm and argon gas at 98 sccm. Moreover, electric power was set to 100W. Also, the substrate temperature during film formation was room temperature. Here, sample 1 was formed at a film forming pressure of 0.4 Pa. In addition, sample 2 was formed at a film forming pressure of 1.0 Pa.

試料3では、石英基板上に、DCスパッタリング法により、厚さ100nmのIn-Ga
-Zn酸化物を成膜する。ターゲットは、In-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Zn=
1:1:1[原子数比])を用いた。成膜ガスは、酸素ガスを10sccmおよびアルゴ
ンガスを20sccmとした。また、電力は200Wとした。また、成膜時の基板温度は
300℃とした。成膜圧力は0.4Paとした。
In Sample 3, In—Ga with a thickness of 100 nm was deposited on a quartz substrate by a DC sputtering method.
- Deposit Zn oxide. The target is In--Ga--Zn oxide (In:Ga:Zn=
1:1:1 [atomic ratio]) was used. As the film forming gas, 10 sccm of oxygen gas and 20 sccm of argon gas were used. Moreover, electric power was set to 200W. Also, the substrate temperature during film formation was set to 300.degree. The film formation pressure was set to 0.4 Pa.

次に、酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間の加熱処理を行った。加熱処理温度は25
0℃、300℃、350℃、400℃、および450℃の5条件とした。その後、加熱処
理を行っていない条件も含め、試料1、試料2および試料3の膜密度を測定した。膜密度
の測定には、Bruker AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEによるXRR
を用いた。試料1の結果を図58(A)に、試料2の結果を図58(B)に、試料3の結
果を図58(C)に示す。横軸は加熱処理の温度である。試料1の膜密度は5.9g/c
から6.1g/cmであった。試料2の膜密度は5.6g/cmから5.8g/
cmの範囲であった。試料3の膜密度は6.2g/cmから6.4g/cmの範囲
であった。
Next, heat treatment was performed for 1 hour in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. The heat treatment temperature is 25
Five conditions of 0°C, 300°C, 350°C, 400°C, and 450°C were used. After that, the film densities of Samples 1, 2, and 3 were measured, including the condition where no heat treatment was performed. For measurement of the film density, XRR using an X-ray diffractometer D8 ADVANCE manufactured by Bruker AXS
was used. The results of sample 1 are shown in FIG. 58(A), the results of sample 2 are shown in FIG. 58(B), and the results of sample 3 are shown in FIG. 58(C). The horizontal axis is the temperature of the heat treatment. The film density of sample 1 is 5.9 g/c
m 3 to 6.1 g/cm 3 . The film density of sample 2 is from 5.6 g/ cm3 to 5.8 g/cm3.
cm 3 range. The film density of Sample 3 ranged from 6.2 g/cm 3 to 6.4 g/cm 3 .

次に、試料1、試料2および試料3を、リン酸を純水で100倍に希釈した水溶液を用い
てエッチングした。そして、エッチング前後の厚さを測定することで、エッチングレート
を測定した。試料1の結果を図59(A)に、試料2の結果を図59(B)に、試料3の
結果を図59(C)に示す。試料1および試料2は加熱処理の温度が高いほど、エッチン
グレートが低くなることがわかった。試料3は加熱処理の温度による差が小さいことがわ
かった。また、加熱処理を行った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、
エッチングレートが低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱
処理を行っていない試料3のほうが、エッチングレートが低くなることがわかった。
Next, samples 1, 2 and 3 were etched using an aqueous solution obtained by diluting phosphoric acid 100 times with pure water. The etching rate was measured by measuring the thickness before and after etching. The results of sample 1 are shown in FIG. 59A, the results of sample 2 are shown in FIG. 59B, and the results of sample 3 are shown in FIG. 59C. It was found that sample 1 and sample 2 had lower etching rates as the heat treatment temperature was higher. It was found that Sample 3 showed little difference due to the heat treatment temperature. In addition, the sample 1 not subjected to heat treatment than the sample 2 subjected to heat treatment,
It was found that the etching rate was lowered. It was also found that the etching rate of sample 3, which was not subjected to heat treatment, was lower than that of sample 1, which was subjected to heat treatment.

次に、試料1、試料2および試料3をTDS分析し、質量電荷比が18の脱ガス(水)の
放出量を測定した。TDS分析には、電子科学株式会社製昇温脱離分析装置TDS-12
00を用いた。試料1の結果を図60(A)に、試料2の結果を図60(B)に、試料3
の結果を図60(C)に示す。試料1、試料2および試料3は加熱処理の温度が高いほど
、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行
った試料2よりも加熱処理を行っていない試料1のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの
放出量が少なくなることがわかった。また、加熱処理を行った試料1よりも加熱処理を行
っていない試料3のほうが、質量電荷比が18の脱ガスの放出量が少なくなることがわか
った。
Next, samples 1, 2 and 3 were subjected to TDS analysis, and the amount of released gas (water) with a mass-to-charge ratio of 18 was measured. For TDS analysis, a temperature programmed desorption spectrometer TDS-12 manufactured by Electronic Science Co., Ltd.
00 was used. The results of sample 1 are shown in FIG. 60(A), the results of sample 2 are shown in FIG.
The results are shown in FIG. 60(C). Samples 1, 2 and 3 showed that the higher the heat treatment temperature, the less the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18. In addition, it was found that the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18 was smaller in sample 1, which was not subjected to heat treatment, than in sample 2, which was subjected to heat treatment. In addition, it was found that the amount of degassing with a mass-to-charge ratio of 18 was smaller in Sample 3, which was not subjected to heat treatment, than in Sample 1, which was subjected to heat treatment.

次に、試料1および試料2の水素濃度を測定した。水素濃度の測定はSIMSで行った。
SIMSは、CAMECA社製IMS 7fRを用いた。試料1の結果を図61(A)お
よび図68(A)に、試料2の結果を図61(B)および図68(B)に示す。ここで、
図68(A)および図68(B)には、横軸に膜表面からの深さを、縦軸に水素濃度を示
す。また、図61(A)および図61(B)には、深さ10nmから60nmまでの水素
濃度の平均値を示す。また、図68(A)および図68(B)において、深さ80nm近
傍で急激に水素濃度が変化する領域より後では、In-Ga-Zn酸化物膜が残存せずに
石英基板を測定している可能性がある。また、10nm未満の領域では表面状態の影響を
受ける可能性がある。よって、In-Ga-Zn酸化物膜の水素濃度は、例えば深さ10
nmから60nmまでの平均値で表すことが好ましい。試料1および試料2は加熱処理の
温度が高いほど、水素濃度が低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料2よ
りも加熱処理を行っていない試料1のほうが、水素濃度が低くなることがわかった。
Next, the hydrogen concentrations of samples 1 and 2 were measured. The hydrogen concentration was measured by SIMS.
For SIMS, IMS 7fR manufactured by CAMECA was used. The results of sample 1 are shown in FIGS. 61(A) and 68(A), and the results of sample 2 are shown in FIGS. 61(B) and 68(B). here,
In FIGS. 68A and 68B, the horizontal axis indicates the depth from the film surface, and the vertical axis indicates the hydrogen concentration. In addition, FIGS. 61A and 61B show average values of hydrogen concentrations from a depth of 10 nm to 60 nm. In addition, in FIGS. 68A and 68B, after the region where the hydrogen concentration abruptly changes near the depth of 80 nm, the In—Ga—Zn oxide film does not remain and the quartz substrate is measured. There is a possibility that In addition, the region of less than 10 nm may be affected by surface conditions. Therefore, the hydrogen concentration of the In--Ga--Zn oxide film is, for example, 10 mm deep.
It is preferable to represent the mean value from nm to 60 nm. It was found that in Samples 1 and 2, the higher the heat treatment temperature, the lower the hydrogen concentration. Further, it was found that the hydrogen concentration of sample 1, which was not subjected to heat treatment, was lower than that of sample 2, which was subjected to heat treatment.

次に、試料1、試料2および試料3の加熱処理による結晶サイズの変化をTEMで測定し
た。なお、結晶サイズは、20点から45点の平均値で示す。TEMは、日立透過電子顕
微鏡H-9000NARを用いた。試料1の結果を図62(A)に、試料2の結果を図6
2(B)、試料3の結果を図62(C)に示す。試料1は、加熱処理の温度によらず結晶
サイズが1.4nm程度であることがわかった。試料2は、加熱処理を行っていないとき
(図67参照。)は結晶サイズが1.2nm程度であったものが、250℃の加熱処理に
よって1.3nm程度まで成長し、さらに300℃の加熱処理によって1.6nm程度ま
で成長した。また、300℃から450℃の範囲では結晶サイズに変化は見られなかった
。また、試料3においても、結晶サイズは加熱処理の温度によらず1.5乃至1.6nm
であった。
Next, changes in crystal size due to heat treatment of samples 1, 2 and 3 were measured by TEM. The crystal size is indicated by an average value of 20 to 45 points. Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used as the TEM. The results of sample 1 are shown in FIG. 62(A), and the results of sample 2 are shown in FIG.
2(B) and sample 3 are shown in FIG. 62(C). It was found that sample 1 had a crystal size of about 1.4 nm regardless of the heat treatment temperature. Sample 2 had a crystal size of about 1.2 nm when heat treatment was not performed (see FIG. 67), but grew to about 1.3 nm by heat treatment at 250° C. and further heated at 300° C. It grew to about 1.6 nm by the treatment. Also, no change in crystal size was observed in the range of 300°C to 450°C. Also in sample 3, the crystal size was 1.5 to 1.6 nm regardless of the heat treatment temperature.
Met.

次に、試料1、試料2および試料3の電子線照射による結晶サイズの変化をTEMで測定
した。試料1の結果を図63(A)に、試料2の結果を図63(B)、試料3の結果を図
63(C)に示す。試料1および試料3は、加熱処理の温度によらず、また電子線照射に
よっても結晶サイズの変化はほとんど見られなかった。試料2は、電子線照射によって結
晶サイズの増大が見られた。また、この傾向は加熱処理の温度が低いほど顕著であった。
Next, changes in crystal size of samples 1, 2 and 3 due to electron beam irradiation were measured by TEM. The results of Sample 1 are shown in FIG. 63A, the results of Sample 2 are shown in FIG. 63B, and the results of Sample 3 are shown in FIG. 63C. Samples 1 and 3 showed almost no change in crystal size regardless of the temperature of heat treatment and even with electron beam irradiation. Sample 2 showed an increase in crystal size due to electron beam irradiation. In addition, this tendency was more conspicuous as the heat treatment temperature was lower.

加熱処理による結晶サイズの変化、および電子線照射による結晶サイズの変化を見ると、
試料1および試料3は試料2よりも高い安定性を有することがわかる。試料1、試料2お
よび試料3を上述した構造の分類に照らし合わせると、試料1はnc-OS膜となり、試
料2はa-like OS膜となり、試料3はCAAC-OSとなる。
Looking at the change in crystal size due to heat treatment and the change in crystal size due to electron beam irradiation,
It can be seen that samples 1 and 3 have higher stability than sample 2. When the samples 1, 2, and 3 are compared with the above-described structure classification, the sample 1 is an nc-OS film, the sample 2 is an a-like OS film, and the sample 3 is a CAAC-OS.

このように、nc-OS膜は、a-like OS膜よりも膜密度が高く、エッチングレ
ートが低く、水の脱ガスが少なく、かつ水素濃度が低い。また、その差は、成膜後の加熱
処理では埋めることはできない。即ち、トランジスタには、成膜時にnc-OS膜である
酸化物半導体膜を用いることが重要である。
Thus, the nc-OS film has a higher film density, a lower etching rate, less water outgassing, and a lower hydrogen concentration than the a-like OS film. Moreover, the difference cannot be filled by heat treatment after film formation. That is, it is important to use an oxide semiconductor film, which is an nc-OS film, for a transistor.

本実施例では、nc-OS膜の局在準位を評価した。局在準位の評価は、CPM(Con
stant photocurrent method)測定で行った。
In this example, the localized levels of the nc-OS film were evaluated. Evaluation of the localized level is based on CPM (Con
stunt photocurrent method) measurement.

CPM測定には、ガラス基板上のゲート電極(タングステン)と、ゲート電極上のnc-
OS膜と、ゲート電極とnc-OS膜との間のゲート絶縁体(酸化窒化シリコン)と、n
c-OS膜と接する一対の電極(タングステン、アルミニウムおよびチタンの順に形成さ
れた積層体)と、nc-OS膜上および一対の電極上の絶縁体(酸化窒化シリコンおよび
窒化シリコンの順に形成された積層体)と、を有する試料を準備した。なお、nc-OS
膜の成膜は、ACスパッタリング法により、厚さ35nmで行った。ターゲットは、In
-Ga-Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1.2[原子数比])を用いた。成膜
ガスは、酸素ガスを10体積%およびアルゴンガスを90体積%とした。また、電力は2
.5kWとした。また、成膜時の基板温度は室温とした。また、成膜圧力は0.6Paと
した。
For CPM measurement, the gate electrode (tungsten) on the glass substrate and the nc-
an OS film, a gate insulator (silicon oxynitride) between the gate electrode and the nc-OS film, n
A pair of electrodes (laminated body formed of tungsten, aluminum, and titanium in this order) in contact with the c-OS film; Laminate) and a sample having the above were prepared. Note that nc-OS
Film formation was performed with a thickness of 35 nm by an AC sputtering method. The target is In
-Ga--Zn oxide (In:Ga:Zn=1:1:1.2 [atomic ratio]) was used. The film forming gas was 10% by volume oxygen gas and 90% by volume argon gas. Also, the power is 2
. 5 kW. Also, the substrate temperature during film formation was room temperature. Moreover, the film-forming pressure was set to 0.6 Pa.

次に、作製した試料に対して加熱処理を行った。加熱処理は、窒素雰囲気下で1時間行っ
た後、さらに酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間行った。
Next, heat treatment was performed on the manufactured sample. The heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere for 1 hour and then in an atmosphere containing oxygen and nitrogen for 1 hour.

CPM測定は、nc-OS膜に接して設けられた一対の電極間に電圧を印加した状態で光
電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射光量から吸収係
数を導出する。ここでは、吸収係数の導出を各波長にて行った。CPM測定では、局在準
位密度に応じたエネルギー(波長より換算)における吸収係数が増加する。この吸収係数
の増加分に定数を掛けることにより、試料の局在準位密度を導出することができる。
In the CPM measurement, a voltage is applied between a pair of electrodes provided in contact with the nc-OS film, and the amount of light irradiated to the sample surface between the terminals is adjusted so that the photocurrent value is constant. Derive the absorption coefficient. Here, the absorption coefficient was derived for each wavelength. In CPM measurement, the absorption coefficient increases at energy (converted from wavelength) according to the localized level density. By multiplying the increment of the absorption coefficient by a constant, the localized level density of the sample can be derived.

また、光吸収スペクトルのカーブからバンドテイルに起因する光吸収(アーバックテイル
)を取り除くことにより、局在準位による吸収係数αを以下の式から算出することができ
る。
Further, by removing the light absorption due to the band tail (Urbach tail) from the curve of the light absorption spectrum, the absorption coefficient α due to the local level can be calculated from the following equation.

α=∫[(α(E)-α)/E]dE α=∫[(α(E)−α u )/E]dE

ここで、Eはエネルギー、α(E)は各エネルギーにおける吸収係数を表し、αはアー
バックテイルによる吸収係数を表す。
Here, E is the energy, α(E) is the absorption coefficient at each energy, and α u is the absorption coefficient due to the Urbach tail.

なお、アーバックテイルの傾きをアーバックエネルギーという。アーバックエネルギーが
低いほど、欠陥が少なく、価電子帯のバンド端における準位のテイル(裾)の傾きが急峻
である秩序性の高い半導体膜であるといえる。
The inclination of the Urbach tail is called Urbach energy. It can be said that the lower the Urbach energy is, the less the defects are, and the more ordered the semiconductor film is, in which the tail of the level at the band edge of the valence band is steeper.

図64に、分光光度計によって測定した吸収係数(点線)と、CPMによって測定した吸
収係数(実線)とを酸化物半導体膜のエネルギーギャップ以上のエネルギー範囲において
、フィッティングした結果を示す。図64(A)は成膜後に300℃で加熱処理をした試
料の結果を、図64(B)は成膜後に400℃で加熱処理をした試料の結果を、図64(
C)は成膜後に450℃で加熱処理をした試料の結果をそれぞれ示す。CPMによって測
定した吸収係数より得られたアーバックエネルギーは、それぞれ72.65meV、69
.45meVおよび70.32meVであった。
FIG. 64 shows the result of fitting the absorption coefficient (dotted line) measured by the spectrophotometer and the absorption coefficient (solid line) measured by CPM in an energy range equal to or higher than the energy gap of the oxide semiconductor film. FIG. 64A shows the result of a sample heat-treated at 300° C. after film formation, FIG. 64B shows the result of a sample heat-treated at 400° C. after film formation, and FIG.
C) shows the results of a sample heat-treated at 450° C. after film formation. The Urbach energies obtained from the absorption coefficients measured by CPM are 72.65 meV and 69 meV, respectively.
. 45 meV and 70.32 meV.

また、図64においてCPM測定で導出した吸収係数からバックグラウンド(細点線)を
差し引き、吸収係数の積分値を導出した。結果を図65に示す。局在準位による吸収係数
は、それぞれ6.27×10-1cm-1、4.19×10-1cm-1および2.29
×10-1cm-1であった。加熱処理の温度と吸収係数の関係を図66に示す。図66
より、加熱処理の温度が高いほど吸収係数が小さくなるため、局在準位密度も小さくなる
ことがわかる。
Further, the integral value of the absorption coefficient was derived by subtracting the background (thin dotted line) from the absorption coefficient derived by the CPM measurement in FIG. The results are shown in FIG. The absorption coefficients due to localized levels are 6.27×10 −1 cm −1 , 4.19×10 −1 cm −1 and 2.29, respectively.
×10 −1 cm −1 . FIG. 66 shows the relationship between the heat treatment temperature and the absorption coefficient. Figure 66
From this, it can be seen that the higher the temperature of the heat treatment, the smaller the absorption coefficient, and hence the smaller the localized level density.

11 領域
12 領域
13 領域
14 領域
15 領域
16 領域
21 垂線
22 垂線
23 垂線
50 基板
51 絶縁膜
100 トランジスタ
101 半導体層
101a 絶縁体層
101b 半導体層
101c 絶縁体層
102 ゲート絶縁膜
103 ゲート電極
104a 導電層
104b 導電層
105 導電層
111 バリア膜
112 絶縁膜
113 絶縁膜
114 絶縁膜
116 絶縁膜
123 プラグ
124 配線
130 トランジスタ
131 半導体基板
132 半導体層
133a 低抵抗層
133b 低抵抗層
134 ゲート絶縁膜
135 ゲート電極
136 絶縁膜
137 絶縁膜
138 絶縁膜
139 プラグ
140 プラグ
143 導電層
150 容量素子
151 導電層
152a 導電層
152b 導電層
160 トランジスタ
164 プラグ
165 プラグ
166 配線
171a 低抵抗層
171b 低抵抗層
176a 領域
176b 領域
181 素子分離層
190 トランジスタ
191 トランジスタ
201 半導体層
201a 半導体層
201b 半導体層
202 ゲート絶縁膜
202a ゲート絶縁膜
202b ゲート絶縁膜
203a ゲート電極
203b 電極
204a 導電層
204b 導電層
214 絶縁膜
215 絶縁膜
216 絶縁膜
218 絶縁膜
251 導電層
281 ハードマスク
321 プラグ
322 プラグ
324 領域
501 画素回路
502 画素部
504 駆動回路部
504a ゲートドライバ
504b ソースドライバ
506 保護回路
507 端子部
550 トランジスタ
552 トランジスタ
554 トランジスタ
560 容量素子
562 容量素子
570 液晶素子
572 発光素子
610 電子銃室
612 光学系
614 試料室
616 光学系
618 カメラ
620 観察室
622 フィルム室
624 電子
632 蛍光板
700 表示装置
701 基板
702 画素部
704 ソースドライバ回路部
705 基板
706 ゲートドライバ回路部
708 FPC端子部
710 信号線
711 配線部
712 シール材
716 FPC
730 絶縁膜
732 封止膜
734 絶縁膜
736 着色膜
738 遮光膜
750 トランジスタ
752 トランジスタ
760 接続電極
764 絶縁膜
766 絶縁膜
768 絶縁膜
770 平坦化絶縁膜
772 導電層
774 導電層
775 液晶素子
776 液晶層
778 構造体
780 異方性導電層
782 発光素子
784 導電層
786 EL層
788 導電層
790 容量素子
790a 容量素子
790b 容量素子
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
4000 RFタグ
5100 ペレット
5100a ペレット
5100b ペレット
5101 イオン
5120 基板
5130 ターゲット
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 表示パネル
8007 バックライト
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリ
11 Region 12 Region 13 Region 14 Region 15 Region 16 Region 21 Perpendicular line 22 Perpendicular line 23 Perpendicular line 50 Substrate 51 Insulating film 100 Transistor 101 Semiconductor layer 101a Insulator layer 101b Semiconductor layer 101c Insulator layer 102 Gate insulating film 103 Gate electrode 104a Conductive layer 104b Conductive layer 105 Conductive layer 111 Barrier film 112 Insulating film 113 Insulating film 114 Insulating film 116 Insulating film 123 Plug 124 Wiring 130 Transistor 131 Semiconductor substrate 132 Semiconductor layer 133a Low resistance layer 133b Low resistance layer 134 Gate insulating film 135 Gate electrode 136 Insulating film 137 Insulating film 138 Insulating film 139 Plug 140 Plug 143 Conductive layer 150 Capacitive element 151 Conductive layer 152a Conductive layer 152b Conductive layer 160 Transistor 164 Plug 165 Plug 166 Wiring 171a Low resistance layer 171b Low resistance layer 176a Region 176b Region 181 Element isolation layer 190 Transistor 191 Transistor 201 Semiconductor layer 201a Semiconductor layer 201b Semiconductor layer 202 Gate insulating film 202a Gate insulating film 202b Gate insulating film 203a Gate electrode 203b Electrode 204a Conductive layer 204b Conductive layer 214 Insulating film 215 Insulating film 216 Insulating film 218 Insulating film 251 Conductive layer 281 hard mask 321 plug 322 plug 324 region 501 pixel circuit 502 pixel portion 504 driver circuit portion 504a gate driver 504b source driver 506 protection circuit 507 terminal portion 550 transistor 552 transistor 554 transistor 560 capacitive element 562 capacitive element 570 liquid crystal element 572 light emitting element 610 Electron gun chamber 612 Optical system 614 Sample chamber 616 Optical system 618 Camera 620 Observation chamber 622 Film chamber 624 Electron 632 Fluorescent plate 700 Display device 701 Substrate 702 Pixel unit 704 Source driver circuit unit 705 Substrate 706 Gate driver circuit unit 708 FPC terminal unit 710 Signal Wire 711 Wiring portion 712 Sealing material 716 FPC
730 insulating film 732 sealing film 734 insulating film 736 colored film 738 light shielding film 750 transistor 752 transistor 760 connection electrode 764 insulating film 766 insulating film 768 insulating film 770 planarization insulating film 772 conductive layer 774 conductive layer 775 liquid crystal element 776 liquid crystal layer 778 Structural body 780 Anisotropic conductive layer 782 Light emitting element 784 Conductive layer 786 EL layer 788 Conductive layer 790 Capacitor element 790a Capacitor element 790b Capacitor element 800 RF tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Wireless signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulation circuit 808 Modulation circuit 809 Logic circuit 810 Storage circuit 811 ROM
901 housing 902 housing 903 display unit 904 display unit 905 microphone 906 speaker 907 operation keys 908 stylus 911 housing 912 housing 913 display unit 914 display unit 915 connection unit 916 operation keys 921 housing 922 display unit 923 keyboard 924 pointing device 931 Housing 932 Door for refrigerator compartment 933 Door for freezer compartment 941 Housing 942 Housing 943 Display section 944 Operation key 945 Lens 946 Connection section 951 Vehicle body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 2100 Transistor 2200 Transistor 4000 RF tag 5100 Pellet 5100a Pellet 5100b pellet 5101 ion 5120 substrate 5130 target 8000 display module 8001 upper cover 8002 lower cover 8003 FPC
8004 Touch panel 8005 FPC
8006 display panel 8007 backlight 8008 light source 8009 frame 8010 printed circuit board 8011 battery

Claims (6)

第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第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の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第3の絶縁層上および前記第3の導電層上の第4の絶縁層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と接触する第4の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在し、
前記第2の導電層は前記第1の導電層と重なり、
前記第4の絶縁層は、前記第3の導電層の上面および側面に接し、前記第3の絶縁層の上面および側面に接している、半導体装置。
a first layer having a first channel forming region;
a first insulating layer on the first layer;
a first conductive layer on the first insulating layer;
a second insulating layer on the first conductive layer;
a second conductive layer on the second insulating layer;
a second layer having a second channel forming region;
a third insulating layer over the second layer;
a third conductive layer on the third insulating layer;
a fourth insulating layer on the third insulating layer and on the third conductive layer;
a fourth conductive layer in contact with the first layer through openings in the first insulating layer and the second insulating layer;
the first layer comprises silicon;
the second conductive layer has a region that functions as one of the source or drain of a transistor;
the second layer is electrically connected to the second conductive layer;
the second layer comprises indium, gallium and zinc;
the third conductive layer has a region that functions as a gate of the transistor;
In a cross-sectional view, the third insulating layer extends beyond the edge of the third conductive layer;
the second conductive layer overlaps the first conductive layer;
The semiconductor device, wherein the fourth insulating layer is in contact with the top surface and side surfaces of the third conductive layer, and is in contact with the top surface and side surfaces of the third insulating layer.
第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第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の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と接触する第4の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在する、半導体装置。
a first layer having a first channel forming region;
a first insulating layer on the first layer;
a first conductive layer on the first insulating layer;
a second insulating layer on the first conductive layer;
a second conductive layer on the second insulating layer;
a second layer having a second channel forming region;
a third insulating layer over the second layer;
a third conductive layer on the third insulating layer;
a fourth conductive layer in contact with the first layer through openings in the first insulating layer and the second insulating layer;
the first layer comprises silicon;
the second conductive layer has a region that functions as one of the source or drain of a transistor;
the second layer is electrically connected to the second conductive layer;
the second layer comprises indium, gallium and zinc;
the third conductive layer has a region that functions as a gate of the transistor;
The semiconductor device, in cross-sectional view, wherein the third insulating layer extends beyond the edge of the third conductive layer.
第1のチャネル形成領域を有する第1の層と、
前記第1の層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の第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の絶縁層上の第2の導電層と、
第2のチャネル形成領域を有する第2の層と、
前記第2の層の上の第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上の第3の導電層と、
前記第1の絶縁層および前記第2の絶縁層の開口部を介して前記第1の層と電気的に接続する第5の導電層と、を有し、
前記第1の層は、シリコンを有し、
前記第2の導電層は、トランジスタのソースまたはドレインの一方として機能する領域を有し、
前記第2の層は、前記第2の導電層に電気的に接続され、
前記第2の層は、インジウム、ガリウム、および亜鉛を有し、
前記第3の導電層は、前記トランジスタのゲートとして機能する領域を有し、
断面図において、前記第3の絶縁層は、前記第3の導電層の端部を越えて延在し、
前記第5の導電層は、前記第1の層と重なる領域と、前記第1の導電層と重なる領域と、前記第2の導電層と重なる領域と、前記第2の層と重なる領域と、前記第3の導電層と重なる領域と、を有する、半導体装置。
a first layer having a first channel forming region;
a first insulating layer on the first layer;
a first conductive layer on the first insulating layer;
a second insulating layer on the first conductive layer;
a second conductive layer on the second insulating layer;
a second layer having a second channel forming region;
a third insulating layer over the second layer;
a third conductive layer on the third insulating layer;
a fifth conductive layer electrically connected to the first layer through openings in the first insulating layer and the second insulating layer;
the first layer comprises silicon;
the second conductive layer has a region that functions as one of the source or drain of a transistor;
the second layer is electrically connected to the second conductive layer;
the second layer comprises indium, gallium and zinc;
the third conductive layer has a region that functions as a gate of the transistor;
In a cross-sectional view, the third insulating layer extends beyond the edge of the third conductive layer;
The fifth conductive layer includes a region overlapping with the first layer, a region overlapping with the first conductive layer, a region overlapping with the second conductive layer, a region overlapping with the second layer, and a region overlapping with the third conductive layer.
請求項2または請求項3において、
前記第3の絶縁層上および前記第3の導電層上の第4の絶縁層を有し、
前記第4の絶縁層は、前記第3の導電層の上面および側面に接し、前記第3の絶縁層の上面および側面に接している、半導体装置。
In claim 2 or claim 3,
a fourth insulating layer on the third insulating layer and on the third conductive layer;
The semiconductor device, wherein the fourth insulating layer is in contact with the top surface and side surfaces of the third conductive layer, and is in contact with the top surface and side surfaces of the third insulating layer.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の導電層は、第2のトランジスタのゲート電極としての機能を有する、半導体装置。
In any one of claims 1 to 4,
The semiconductor device, wherein the first conductive layer functions as a gate electrode of the second transistor.
請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記第2の層は、複数の結晶を有し、
前記第2の層は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、
前記第2の層が有するインジウムとガリウムおよび亜鉛との原子比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zはインジウム、ガリウム及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
プローブ径の半値幅が1nmである電子線を、前記第2の層の被形成面に対して照射して観察された電子回折パターンが、スポットが対称に配置されていないパターン、またはスポットが円を描くように配置されたパターンである、半導体装置。
In any one of claims 1 to 5,
The second layer has a plurality of crystals,
the second layer comprises indium, gallium, and zinc;
The atomic ratio of indium to gallium and zinc contained in the second layer satisfies indium:element M:zinc=x:y:z,
The x, the y, and the z are the first coordinate (x: y: z = 8: 14: 7) and the second coordinate in the equilibrium diagram with the three elements of indium, gallium, and zinc as vertices. (x: y: z = 2: 4: 3), the third coordinate (x: y: z = 2: 5: 7), and the fourth coordinate (x: y: z = 51: 149: 300 ), fifth coordinates (x:y:z=46:288:833), sixth coordinates (x:y:z=0:2:11), and seventh coordinates (x:y: z = 0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z = 1:0:0), and the first coordinate are connected in order with a line segment. ratio, wherein the range includes the first coordinate to the sixth coordinate and excludes the seventh coordinate and the eighth coordinate;
The electron diffraction pattern observed by irradiating the formation surface of the second layer with an electron beam having a probe diameter half-width of 1 nm is a pattern in which the spots are not arranged symmetrically or the spots are circular. A semiconductor device, which is a pattern arranged to draw
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