以下では、本発明に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本明細書に開示する発明は以下の説明に限定されず、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。また、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す本発明の構成において、同一部分又は同様の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、同様の機能を有する部分を指す場合には、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。
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。
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、「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、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。
(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一態様を図1乃至図4を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
図1にトランジスタ420の構成例を示す。図1(A)は、トランジスタ420の平面図であり、図1(B)は図1(A)のX1−Y1における断面図であり、図1(C)は、図1(A)のV1−W1における断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ420の構成要素の一部(例えば、絶縁層407等)を省略して図示している。
図1に示すトランジスタ420は、基板400上に設けられた酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403上のゲート絶縁層402と、ゲート絶縁層402を介して酸化物半導体層403と重畳するゲート電極層401と、ゲート絶縁層402の上面及びゲート電極層401の側面と接する絶縁層411と、絶縁層411を介してゲート電極層401の側面に設けられた絶縁層412と、酸化物半導体層403の上面、ゲート絶縁層402の側面及び絶縁層411の側面と接するソース電極層405a及びドレイン電極層405bを有する。
トランジスタ420において、ゲート絶縁層402の上面及びゲート電極層401の側面と接する絶縁層411として、酸素に対するバリア性を有する絶縁層を用いるものとし、少なくともゲート絶縁層402よりも酸素に対する透過性が低い絶縁層を用いる。絶縁層411として酸素に対するバリア性を有する絶縁層を設けることで、ゲート絶縁層402からの酸素の脱離を抑制することができる。ゲート絶縁層402は酸化物半導体層403のチャネル形成領域と接する絶縁層であるため、該絶縁層からの酸素の脱離を抑制することで、酸化物半導体層403からの酸素の引き抜きを防止することができ、酸化物半導体層403の酸素欠損を抑制することができる。
絶縁層411としては、例えば、アルミニウム、マグネシウムを添加したアルミニウム、チタンを添加したアルミニウム、マグネシウム、又はチタン等の酸化物若しくは窒化物を単層で、又は積層で用いることができる。
なお、絶縁層411として、酸素に対するバリア性に加えて、水素、水分などの不純物に対する透過性の低い膜(ゲート絶縁層402よりも水素に対する透過性の低い膜)を用いることがより好ましい。このような膜として、酸化アルミニウム膜を好適に用いることができる。絶縁層411として酸素及び水素に対する透過性の低い膜を用いることで、ゲート絶縁層402及び酸化物半導体層403からの酸素の脱離を防止するだけでなく、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水素化合物などの不純物のゲート絶縁層402及び酸化物半導体層403への混入を抑制することができる。
またトランジスタ420において絶縁層412は、ゲート電極層401の側壁絶縁層の一部として機能する。絶縁層412の側端部は、絶縁層411の上面(基板400の表面と平行な面)と接しており、絶縁層412においてゲート電極層401と対向する側面は、絶縁層411とは異なる絶縁物である、絶縁物410と接している。図1では、絶縁層412の側面には空隙が形成され、絶縁物410として絶縁性の気体(例えば、空気)が充填されている例を示すが、本発明の一態様はこれに限られず、該空隙に無機絶縁物又は有機絶縁物が充填されていてもよい。
ゲート電極層401の側壁絶縁層の一部として機能する絶縁層411の側面(ゲート電極層401と対向する側の側面)を絶縁物と接する構成とすることで、当該領域おける寄生容量の発生を抑制することができる。
また、基板400上の下地絶縁層436、絶縁層407、絶縁層409又は絶縁層418をトランジスタ420の構成要素に含めてもよい。
なお、酸化物半導体層は、単結晶酸化物半導体層と非単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層とは、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、多結晶酸化物半導体層、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜などをいう。トランジスタ420に含まれる酸化物半導体層403は、上記のいずれの構造であってもよく、CAAC−OS膜とすることが好ましい。
以下に、酸化物半導体層の各構造について説明する。
非晶質酸化物半導体層は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体層である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体層が典型である。
微結晶酸化物半導体層は、例えば、1nm以上10nm未満の大きさの微結晶(ナノ結晶ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。
CAAC−OS膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体層の一つであり、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10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。CAAC−OS膜は、微結晶酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC−OS膜について詳細な説明を行う。
CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、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。
CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM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。
一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM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。
断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
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InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化物半導体層であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
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。
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。
また、CAAC−OS膜中の結晶化度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結晶化度が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
なお、InGaZnO4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。
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。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
なお、酸化物半導体層403は、例えば、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
図2に示すトランジスタ422は、トランジスタ420の変形例である。図2(A)は、トランジスタ422の平面図であり、図2(B)は、図2(A)のX2−Y2における断面図であり、図2(C)は、図2(A)のV2−W2における断面図である。なお、図2(A)では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ422の構成要素の一部(例えば、絶縁層407等)を省略して図示している。
図2に示すトランジスタ422は、基板400上に設けられた酸化物半導体層403と、酸化物半導体層403上のゲート絶縁層402と、ゲート絶縁層402を介して酸化物半導体層403と重畳するゲート電極層401と、ゲート絶縁層402の上面及びゲート電極層401の側面に接する絶縁層411と、絶縁層411を介してゲート電極層401の側面に設けられた絶縁層412と、ゲート電極層401の上面に接して設けられ、側面において絶縁層411と接する絶縁層416と、酸化物半導体層403の上面、ゲート絶縁層402の側面及び絶縁層411の側面と接するソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、を電気的に接続するソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、を有する。
トランジスタ422において、ゲート電極層401の上面に接して設けられた絶縁層416は、ゲート電極層401の形成時においてハードマスクとして機能し、ゲート電極層401の上面を保護することができる。絶縁層416は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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、窒化アルミニウム等を用いることができ、積層構造又は単層構造で設ける。また、絶縁層412よりもエッチング速度の遅い絶縁層を選択することで、側壁絶縁層を作製するエッチング処理の際にゲート電極層401の膜減りを低減するエッチング保護膜として機能させることができる。
なお、絶縁層416は、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bの形成時においてもゲート電極層401のハードマスクとして機能する。絶縁層416を設けることでソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、ゲート電極層401とのエッチングの選択比を考慮する必要がなく材料の自由度が向上する。例えば、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと、ゲート電極層401とを同じ材料で構成してもよい。
また、トランジスタ422では、絶縁層411の側面に接して絶縁層419が設けられる。絶縁層419は、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bを形成後に絶縁層411の側面に形成される空隙に接するように絶縁層409上に形成される。つまり、絶縁層419の一部であって該空隙に設けられた領域は、トランジスタ420の絶縁物410に相当する。絶縁層419としては、無機絶縁層、又は有機絶縁層を形成することができる。
以下に、トランジスタ420の作製方法の一例について図3及び図4を用いて説明する。
絶縁表面を有する基板400上に下地絶縁層436を形成する。
絶縁表面を有する基板400に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも後の熱処理工程に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板400として用いてもよい。
また、基板400として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に酸化物半導体層403を含むトランジスタ420を直接作製してもよいし、他の作製基板に酸化物半導体層403を含むトランジスタ420を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタ420との間に剥離層を設けるとよい。
下地絶縁層436としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成することができ、酸化シリコン膜、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を含む膜の単層又は積層構造とすることができる。但し、下地絶縁層436は、酸化物絶縁層を含む単層又は積層構造として、該酸化物絶縁層が後に形成される酸化物半導体層403と接する構造とすることが好ましい。なお、下地絶縁層436は、必ずしも設けなくともよい。
下地絶縁層436は酸素過剰領域を有すると、下地絶縁層436に含まれる過剰な酸素によって、後に形成される酸化物半導体層403の酸素欠損を補填することが可能であるため好ましい。下地絶縁層436が積層構造の場合は、少なくとも酸化物半導体層403と接する層(好ましくは酸化物絶縁層)において酸素過剰領域を有することが好ましい。下地絶縁層436に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下にて下地絶縁層436を成膜すればよい。又は、成膜後の下地絶縁層436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、酸素過剰領域を形成してもよい。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。
また、下地絶縁層436は、酸素過剰領域を有する層の下側に接して、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することが好ましい。下地絶縁層436が窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜又は酸化アルミニウム膜を有することで、酸化物半導体層403への不純物の拡散を防止することができる。
下地絶縁層436において酸化物半導体層403が接して形成される領域に、平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理としては、特に限定されないが、研磨処理(例えば、化学的機械研磨法)、ドライエッチング処理、プラズマ処理を用いることができる。
プラズマ処理としては、例えば、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行うことができる。逆スパッタリングとは、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。逆スパッタリングを行うと、下地絶縁層436の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみともいう)を除去することができる。
平坦化処理として、研磨処理、ドライエッチング処理、プラズマ処理は複数回行ってもよく、それらを組み合わせて行ってもよい。また、組み合わせて行う場合、工程順も特に限定されず、下地絶縁層436表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
また、下地絶縁層436を水素(水や水酸基を含む)などの不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、下地絶縁層436に水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための加熱処理(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行ってもよく、両方を繰り返し行ってもよい。
次に、下地絶縁層436上に酸化物半導体層を成膜し、島状に加工して酸化物半導体層403を形成する。酸化物半導体層403の膜厚は、例えば、1nm乃至30nm、好ましくは5nm乃至10nmとする。
酸化物半導体層は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。また、非晶質構造であってもよいし、結晶構造であってもよい。成膜後の酸化物半導体層に熱処理を行うことによって、結晶性を向上させてもよい。結晶性を向上させる熱処理の温度は、250℃以上700℃以下、好ましくは、400℃以上、より好ましくは500℃以上、さらに好ましくは550℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程における他の熱処理を兼ねることも可能である。
酸化物半導体層の成膜方法は、スパッタリング法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を適宜用いることができる。
酸化物半導体層を成膜する際、できる限り酸化物半導体層に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。
また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入して成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層の水素濃度を低減させることができる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは、例えば、水素分子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。
また、酸化物半導体層をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化物ターゲットの相対密度(充填率)は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体層を緻密な膜とすることができる。
また、基板400を高温に保持した状態で酸化物半導体層を形成することも、酸化物半導体層中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板400を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結晶性酸化物半導体層を形成することができる。
酸化物半導体層403に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)を含む。特に、インジウムと亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)のいずれか一種または複数種を有することが好ましい。
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種または複数種を有してもよい。
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。
例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
また、酸化物半導体として、InMO3(ZnO)m(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、MnおよびCoから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、In2SnO5(ZnO)n(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)、あるいはIn:Ga:Zn=3:1:2(=1/2:1/6:1/3)の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子数比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
しかし、インジウムを含む酸化物半導体を用いたトランジスタは、これらに限られず、必要とする電気的特性(電界効果移動度、しきい値電圧、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする電気的特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
例えば、In−Sn−Zn系酸化物半導体を用いたトランジスタでは比較的容易に高い電界効果移動度が得られる。しかしながら、In−Ga−Zn系酸化物半導体を用いたトランジスタでも、バルク内欠陥密度を低くすることにより電界効果移動度を上げることができる。
なお、例えば、In、Ga、Znの原子数比がIn:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)である酸化物の組成が、原子数比がIn:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)の酸化物の組成の近傍であるとは、a、b、cが、(a−A)2+(b−B)2+(c−C)2≦r2を満たすことをいう。rとしては、例えば、0.05とすればよい。他の酸化物でも同様である。
酸化物半導体層403は、単層構造としてもよいし、複数の酸化物半導体層が積層された構造としてもよい。例えば、酸化物半導体層403を、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の積層として、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第1の酸化物半導体層に三元系金属の酸化物を用い、第2の酸化物半導体層に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。
また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層の構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。例えば、第1の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=1:1:1とし、第2の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=3:1:2としてもよい。また、第1の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=1:3:2とし、第2の酸化物半導体層の原子数比をIn:Ga:Zn=2:1:3としてもよい。
この時、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層のうち、ゲート電極に近い側(チャネル側)の酸化物半導体層のInとGaの含有率をIn>Gaとするとよい。またゲート電極から遠い側(バックチャネル側)の酸化物半導体層のInとGaの含有率をIn≦Gaとするとよい。
酸化物半導体では主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、Inの含有率を多くすることによりs軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、In>Gaの組成となる酸化物はIn≦Gaの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また、GaはInと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、In≦Gaの組成となる酸化物はIn>Gaの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。
チャネル側にIn>Gaの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にIn≦Gaの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの移動度および信頼性をさらに高めることが可能となる。
また、第1の酸化物半導体層と第2の酸化物半導体層に、結晶性の異なる酸化物半導体膜を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜、またはCAAC−OS膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。
なお、非晶質酸化物半導体膜は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためn型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体層は、CAAC−OS膜などの結晶性を有する酸化物半導体膜を適用することが好ましい。
また、酸化物半導体層403に、当該酸化物半導体層403に含まれる過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化又は脱水素化)するための熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。
この熱処理によって、n型の導電性を付与する不純物である水素を酸化物半導体から除去することができる。例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体層403に含まれる水素濃度を、5×1019cm−3以下、好ましくは5×1018cm−3以下とすることができる。
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体層の成膜後であればトランジスタ420の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の熱処理と兼ねてもよい。
なお、下地絶縁層436として酸素を含む絶縁層を設ける場合、脱水化又は脱水素化のための熱処理を、酸化物半導体層を島状に加工する前に行うと、下地絶縁層436に含まれる酸素が熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上好ましくは7N(99.99999%)以上(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
また、熱処理で酸化物半導体層403を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の一酸化二窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)を導入してもよい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの純度を、6N以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガス又は一酸化二窒素ガス中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。酸素ガス又は一酸化二窒素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層403を高純度化及びi型(真性)化することができる。
また、脱水化又は脱水素化処理によって、酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがあるため、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、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)を導入して膜中に酸素を供給してもよい。
脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層に、酸素を導入して膜中に酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化、及びi型(真性)化することができる。高純度化し、i型(真性)化した酸化物半導体を有するトランジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
酸化物半導体層に酸素導入する場合、酸化物半導体層に直接導入してもよいし、後に形成されるゲート絶縁層402や絶縁層407などの他の膜を通過して酸化物半導体層403へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して導入する場合は、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などを用いればよい。露出された酸化物半導体層403へ直接酸素を導入する場合は、上記の方法に加えてプラズマ処理なども用いることができる。
酸素の供給ガスとしては、Oを含有するガスを用いればよく、例えば、O2ガス、N2Oガス、CO2ガス、COガス、NO2ガス等を用いることができる。なお、酸素の供給ガスに希ガス(例えばAr)を含有させてもよい。
例えば、イオン注入法で酸化物半導体層403へ酸素イオンの注入を行う場合、ドーズ量を1×1013ions/cm2以上5×1016ions/cm2以下とすればよい。
または、酸化物半導体層403と接する絶縁層を、酸素過剰領域を含む層とし、該絶縁層と酸化物半導体層403とが接した状態で熱処理を行うことにより、絶縁層に過剰に含まれる酸素を酸化物半導体層403へ拡散させ、酸化物半導体層403へ酸素を供給してもよい。該熱処理は、トランジスタ420の作製工程における他の熱処理と兼ねることもできる。
酸化物半導体層への酸素の供給は酸化物半導体層の成膜後であれば、そのタイミングは特に限定されない。また、酸化物半導体層への酸素の導入は複数回行ってもよい。また、酸化物半導体層を複数層の積層構造とする場合には、脱水化又は脱水素化のための熱処理及び/又は酸素の供給は、各酸化物半導体層に対して別々に行ってもよいし、積層構造を形成した後の酸化物半導体層403に対して行ってもよい。
下地絶縁層436と酸化物半導体層403とを大気に曝露せずに連続的に形成することが好ましい。下地絶縁層436と酸化物半導体層403とを大気に曝露せずに連続して形成すると、下地絶縁層436表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
次いで、酸化物半導体層403を覆うゲート絶縁膜402aを形成する。ゲート絶縁膜402aは、1nm以上20nm以下の膜厚で、スパッタリング法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて形成することができる。なお、μ波(例えば、周波数2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDは、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成することができるため、ゲート絶縁膜402aの形成に用いると好ましい。
ゲート絶縁膜402aの被覆性を向上させるために、酸化物半導体層403表面にも上記平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜402aとして膜厚の薄い絶縁層を用いる場合、酸化物半導体層403表面の平坦性が良好であることが好ましい。
ゲート絶縁膜402aの材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜を用いることができる。ゲート絶縁膜402aは、酸化物半導体層403と接する部分において酸素を含むことが好ましく、酸素過剰領域を含むことがより好ましい。
また、ゲート絶縁膜402aの材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSixOy(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート(HfAlxOy(x>0、y>0))、酸化ランタンなどの材料を用いてもよい。さらに、ゲート絶縁膜402aは、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
ゲート絶縁膜402aを水素(水や水酸基を含む)などの不純物が低減され、かつ酸素過剰な状態とするために、ゲート絶縁膜402aに水素(水や水酸基を含む)を除去(脱水化または脱水素化)するための加熱処理(脱水化または脱水素化処理)及び/又は酸素ドープ処理を行ってもよい。脱水化または脱水素化処理と、酸素ドープ処理は複数回行ってもよく、両方を繰り返し行ってもよい。
次にゲート絶縁膜402a上に導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、ゲート電極層401を形成する(図3(A)参照)。
ゲート電極層401の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層401としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。ゲート電極層401は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。また、ゲート電極層401の膜厚は50nm以上300nm以下が好ましい。
また、ゲート電極層401の材料は、酸化インジウム酸化スズ、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、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
また、ゲート絶縁層402と接するゲート電極層401の一層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。これらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリオフのスイッチング素子を実現できる。
次いで、ゲート電極層401を覆うように、ゲート絶縁膜402a上に絶縁膜411aを形成し、その後、絶縁膜411a上に絶縁膜414aを形成する(図3(B)参照)。
絶縁膜411a及び絶縁膜414aは、後に選択的にエッチングされることで、ゲート電極層401の側壁絶縁層として機能する膜である。絶縁膜411aとしては、ゲート絶縁膜402aよりも酸素に対する透過性の低い膜を適用することができる。また、水素、水素化合物(例えば、水)などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果(ブロック効果)が高い膜を適用することがより好ましい。
絶縁膜411aはスパッタリング法で形成することができる。また、絶縁膜411aの膜厚は、5nm以上20nm以下とすることが好ましく、5nm以上10nm以下とすることがより好ましい。絶縁膜411aの膜厚を5nm以上とすることで、十分なバリア効果を得ることができる。また、絶縁膜411aの膜厚を大きくしすぎると、成膜時間が長くかかるうえ、加工のためのエッチング時間も長くかかり、生産性が低下してしまうが、絶縁膜411aの膜厚を20nm以下とすることで、後の工程において容易にパターン形成を行うことができる。
なお、ゲート電極層401を覆うようにゲート絶縁層402の上にスパッタリング法によって金属膜を成膜した後、該金属膜に酸素又は窒素を導入して、絶縁性の金属酸化物膜又は金属窒化物膜とすることで絶縁膜411aとしてもよい。
絶縁膜414aとしては、絶縁膜411aとエッチングの選択比がとれる材料を適宜選択して適用する。例えば、絶縁膜411aとして酸化アルミニウム膜を用いた場合、絶縁膜414aには、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。また、絶縁膜414aは、LPCVD法、プラズマCVD法等のCVD法を用いて形成することが好ましい。
次いで、絶縁膜414aを異方性エッチングして、絶縁膜411aを介してゲート電極層401の側面に絶縁層414を形成する(図3(C)参照)。
その後、絶縁層414をマスクとして、絶縁膜411a及びゲート絶縁膜402aをエッチングして、絶縁層411及びゲート絶縁層402を形成する(図3(D)参照)。絶縁層414をマスクとしたエッチングによって形成される絶縁層411及びゲート絶縁層402は、それぞれの端部が概略一致している。
なお、エッチングの条件によっては、図3(D)に示すようにゲート絶縁膜402aのエッチングにより、酸化物半導体層403も同時にエッチングされ、酸化物半導体層403においてゲート絶縁層402と重畳しない領域の膜厚が小さくなることがある。
その後、再び絶縁層414をエッチングして縮小させ、絶縁層412を形成する(図3(E)参照)。絶縁層414をエッチングすることで、絶縁層411の一部が露出する。ここで、絶縁層411の露出した領域は、後のソース電極層及びドレイン電極層の形成工程において、該電極層のエッチングストッパーとして機能する領域である。よって、露出した領域の幅d(絶縁層411の上面に接する絶縁層412の側端部から、絶縁層411の側端部までの幅)が、後に形成されるソース電極層及びドレイン電極層の膜厚よりも大きくなるように絶縁層412の大きさを適宜設定する。
次いで、絶縁層411と絶縁層412とからなるゲート電極層401の側壁絶縁層、及びゲート電極層401を覆うように酸化物半導体層403上に導電膜404を形成する。
導電膜404は、ソース電極層405a及びドレイン電極層405b(これと同じ層に形成される配線を含む)となる膜であり、その材料としては例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。また、Al、Cuなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にTi、Mo、Wなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としてもよい。また、導電膜404としては、導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ(In2O3−SnO2)、酸化インジウム酸化亜鉛(In2O3−ZnO)またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
ゲート電極層401と重畳する領域以外の導電膜404を、選択的にエッチングしてパターン形成した後、導電膜404上に絶縁層407及び絶縁層409を形成する(図4(A)参照)。
絶縁層407としては、プラズマCVD法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜した、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、酸化ガリウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化ランタン膜、酸化バリウム膜等の無機絶縁膜を単層で又は積層構造で用いることができる。
絶縁層409としては、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するために平坦化絶縁膜を形成するものとし、無機絶縁膜と平坦化絶縁膜を積層させてもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂等の有機材料と用いることができる。又は、上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いることができる。
次いで、絶縁層409、絶縁層407及び導電膜404に研磨(切削、研削)処理を行い、ゲート電極層401と重畳する領域の導電膜404を除去することによって、導電層404a及び導電層404bを形成する(図4(B)参照)。研磨処理によってゲート電極層401と重畳する領域の導電膜404を除去することで、ゲート電極層401と重畳する領域の導電膜404の除去を、レジストマスクを用いることなく行うことができるため、トランジスタ420が微細なチャネル長を有する場合であっても精度よく加工することができる。
研磨(切削、研削)方法としては化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)処理を好適に用いることができる。本実施の形態では、CMP処理によってゲート電極層401と重畳する領域の導電膜404を除去する。
なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うことが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、生産性及び表面の平坦性をより向上させることができる。
なお、本実施の形態では、ゲート電極層401と重畳する領域の導電膜404の除去にCMP処理を用いたが、他の研磨(研削、切削)処理を用いてもよい。又は、CMP処理等の研磨処理と、エッチング(ドライエッチング、ウェットエッチング)処理や、プラズマ処理などを組み合わせてもよい。例えば、CMP処理後、ドライエッチング処理やプラズマ処理(逆スパッタリングなど)を行い、処理表面の平坦性向上を図ってもよい。研磨処理に、エッチング処理、プラズマ処理などを組み合わせて行う場合、工程順は特に限定されず、導電膜404の材料、膜厚、及び表面の凹凸状態に合わせて適宜設定すればよい。
その後、導電層404a及び導電層404bにおいて絶縁層412の側面と接する領域を異方性エッチングにより選択的に除去する。これによって、酸化物半導体層403の上面、ゲート絶縁層402の側面及び絶縁層411の側面と接するソース電極層405a及びドレイン電極層405bが形成される(図4(C)参照)。
導電層404a及び導電層404bにおいて絶縁層412の側面と接する領域は、絶縁層412及び絶縁層411を介してゲート電極層401と対向するため、導電層404a及び導電層404bと、ゲート電極層401との間の寄生容量が発生する。特に、トランジスタが微細化され、側壁絶縁層の幅が縮小される程、この寄生容量が生じやすくなる。よって、導電層404a及び導電層404bにおいて絶縁層412の側面と接する領域を除去することで、寄生容量を低減することが可能となる。
また、CMP処理の不良等によって導電層404a及び/又は導電層404bと、ゲート電極層401とが接する不良箇所がある場合でも、異方性エッチング処理を行うことで、該不良箇所を確実に行い、ゲートリークを抑制することができる。よって、半導体装置を歩留まりよく提供することが可能となる。
上述したとおり、絶縁層411の上面に接する絶縁層412の側端部から、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと接する絶縁層411の側端部までの幅が、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bの膜厚よりも大きいことで、導電層404a及び導電層404bのエッチング処理において、該領域がエッチングストッパーとして機能することが可能となる。よって、エッチング処理による酸化物半導体層403の露出を防止することができる。酸化物半導体層403の一部が露出し、酸化物半導体層403の上面においてソース電極層405a又はドレイン電極層405bと接しない領域(オフセット領域)が形成されると、トランジスタのオン電流の低下要因となるため、絶縁層411をエッチングストッパーとして用いることで、良好な電気的特性を維持しつつ、トランジスタの寄生容量を低減することができる。
なお、絶縁層411の上面に接する絶縁層412の側端部から、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bと接する絶縁層411の側端部までの幅の大きさによっては、ソース電極層405a及びドレイン電極層405bは、絶縁層411の上面の一部と接する。
導電層404a及び導電層404bのエッチング処理はドライエッチング及びウェットエッチングを適用することができ、双方を組み合わせて用いてもよい。または、エッチング処理に代えてCMP処理等の研磨処理によって絶縁層412と接する導電層404a及び導電層404bを除去してもよい。CMP処理等の研磨処理を適用する場合には、導電層404a及び導電層404bを形成後、研磨条件を適宜変更し、連続的に、絶縁層412と接する導電層404a及び導電層404bを除去することができる。
その後、絶縁層409上に絶縁層418を形成する。絶縁層418は、絶縁層407又は絶縁層409と同様の材料、同様の形成方法を適用することができる。また、絶縁層412、絶縁層407及び絶縁層418とで囲まれた領域(絶縁層412の側面と接する領域)は、空隙が形成され、絶縁物410として絶縁性の気体(例えば、空気)が充填されている。
以上の工程で、本実施の形態で示すトランジスタ420を有する半導体装置を作製することができる。
トランジスタ420において絶縁層411は、ゲート絶縁層402よりも酸素に対する透過性が低い膜であり、酸素に対するバリア膜として機能することができる。よって、絶縁層411を設けることでゲート絶縁層402及びそれに接する酸化物半導体層403の酸素欠損を抑制することが可能であるため、トランジスタ420の信頼性を向上させることができる。
また、絶縁層411の一部をエッチングストッパーとして用い、側壁絶縁層(具体的には絶縁層412)の側面に接する導電層を除去することで、良好な電気的特性を維持しつつ、トランジスタの寄生容量を低減することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示すトランジスタを適用した半導体装置の一例として、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置を、図面を用いて説明する。
図5は、半導体装置の構成の一例である。図5(A)に、半導体装置の断面図を、図5(B)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。
図5(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ160を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ162を有するものである。トランジスタ162としては、実施の形態1で示した本発明の一態様のトランジスタを適用することができる。本実施の形態では、トランジスタ122と同様の構成を有するトランジスタを用いる。
ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なるバンドギャップを持つ材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態1に示すようなトランジスタをトランジスタ162として用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
図5(A)におけるトランジスタ160は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板200に設けられたチャネル形成領域216と、チャネル形成領域216を挟むように設けられた不純物領域214及び高濃度不純物領域220(これらを合わせて単に不純物領域とも呼ぶ)と、高濃度不純物領域220に接する金属間化合物領域224と、チャネル形成領域216上に設けられたゲート絶縁層208と、ゲート絶縁層208上に設けられたゲート電極層210と、ゲート電極層210の側面に設けられたサイドウォール絶縁層218と、電極層212aと、電極層212bと、を有する。
なお、電極層212a及び電極層212bは、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する電極層であり、ゲート電極層210上の絶縁層228に設けられたコンタクトホールを介して、金属間化合物領域224と電気的に接続している。絶縁層228は単層構造としても積層構造としてもよく、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
基板200上にはトランジスタ160を囲むように素子分離絶縁層206が設けられている。
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ160は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。
図5(A)に示すトランジスタ162は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、極めて小さいオフ特性を実現することができる。なお、トランジスタ162に含まれる酸化物半導体層は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、より優れたオフ特性のトランジスタ162を得ることができる。
トランジスタ162は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
トランジスタ162は、酸化物半導体層244と、酸化物半導体層244上のゲート絶縁層260と、ゲート絶縁層260を介して酸化物半導体層244と重畳するゲート電極層262と、ゲート絶縁層260の上面及びゲート電極層262の側面と接する絶縁層263と、絶縁層263を介してゲート電極層262の側面に設けられた絶縁層264と、酸化物半導体層244の上面、ゲート絶縁層260の側面及び絶縁層263の側面と接する電極層268a及び電極層268bを有する。
トランジスタ162に含まれる絶縁層263として、酸素に対するバリア性を有する絶縁層を用いることで、ゲート絶縁層260からの酸素の脱離を抑制し、酸化物半導体層244の酸素欠損を抑制することができる。また、絶縁層264においてゲート電極層262と対向する側面を絶縁物と接する構成とすることで、寄生容量の発生を抑制することができる。
トランジスタ162上には、絶縁層232、絶縁層235及び絶縁層236が単層または積層で設けられている。
絶縁層235上にはトランジスタ162と、他のトランジスタを接続するための配線層256が設けられている。配線層256は、絶縁層236、絶縁層235、及び絶縁層232などに形成されたコンタクトホールを介して電極層268bと電気的に接続される。なお、コンタクトホールに別途電極層を形成し、該電極層を介して、配線層256と電極層268bとを電気的に接続してもよい。
また、絶縁層232を介して、トランジスタ162の電極層268aと重畳する領域には、導電層253が設けられており、電極層268aと、絶縁層232と、導電層253とによって、容量素子164が構成される。すなわち、トランジスタ162の電極層268aは、容量素子164の一方の電極として機能し、導電層253は、容量素子164の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子164を設けない構成とすることもできる。また、容量素子164は、別途、トランジスタ162の上方に設けてもよい。
本実施の形態において、導電層253は、絶縁層235中に埋め込まれるように設けられている。
電極層268aは、絶縁層204中に埋め込まれるように設けられた電極層202と電気的に接続している。また、電極層202は、絶縁層234に設けられたコンタクトホールを介して電極層222と電気的に接続している。図5(A)では図示しないが、電極層222は、トランジスタ160のゲート電極層210と電気的に接続している。よって、トランジスタ162の電極層268aは、トランジスタ160のゲート電極層210と電気的に接続している。
絶縁層230及び絶縁層234の構成は、絶縁層228と同様とすることができる。なお、絶縁層228、絶縁層230、絶縁層234は、必要であれば平坦化処理を施してもよい。また、トランジスタ162の電極層268aと、トランジスタ160のゲート電極層210との電気的な接続は、図5(A)に示す構成に限られず、間に介する電極層(又は配線層)、絶縁層の構成は適宜設定することが可能である。例えば、電極層202と電極層222との間に別途電極層を設けてもよいし、電極層268aとゲート電極層210とを直接接続してもよい。
図5(A)において、トランジスタ160と、トランジスタ162とは、少なくとも一部が重畳するように設けられている。また、トランジスタ162及び容量素子164が、トランジスタ160の少なくとも一部と重畳するように設けられていることが好ましい。例えば、容量素子164の導電層253は、トランジスタ160のゲート電極層210と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
次に、図5(A)に対応する回路構成の一例を図5(B)に示す。
図5(B)において、第1の配線(1st Line)とトランジスタ160のソース電極層とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ160のドレイン電極層とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)とトランジスタ162のソース電極層またはドレイン電極層の一方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ162のゲート電極層とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ160のゲート電極層と、トランジスタ162のソース電極層またはドレイン電極層の他方は、容量素子164の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子164の電極の他方は電気的に接続されている。
図5(B)に示す半導体装置では、トランジスタ160のゲート電極層の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオン状態となる電位にして、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、第3の配線の電位が、トランジスタ160のゲート電極層、および容量素子164に与えられる。すなわち、トランジスタ160のゲート電極層には、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位にして、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、トランジスタ160のゲート電極層に与えられた電荷が保持される(保持)。
トランジスタ162のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ160のゲート電極層の電荷は長時間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ160のゲート電極層に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ160をnチャネル型とすると、トランジスタ160のゲート電極層に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160のゲート電極層に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160を「オン状態」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の配線の電位をVth_HとVth_Lの中間の電位V0とすることにより、トランジスタ160のゲート電極層に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(>Vth_H)となれば、トランジスタ160は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV0(<Vth_L)となっても、トランジスタ160は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。
なお、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。情報を読み出さないメモリセルにおいては、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ160が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ160が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線に与えればよい。
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。ここで、トランジスタ162をノーマリオフのトランジスタとすることで、電力の供給がない場合において、トランジスタ162のゲート(ゲート電極層262)には接地電位が入力される構成とすることができる。こうして、電力の供給が無い場合において、トランジスタ162はオフ状態を維持することができ、記憶内容を保持し続けることができる。
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態においては、実施の形態1に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態2に示した構成と異なる構成について、図6を用いて説明を行う。
図6(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図6(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図6(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図6(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。
図6(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ162のソース電極層又はドレイン電極層とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極層又はドレイン電極層と容量素子254の第1の端子とは電気的に接続されている。
次に、図6(A)に示す半導体装置(メモリセル250)に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。
まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオン状態となる電位として、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子254の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位として、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、容量素子254の第1の端子の電位が保持される(保持)。
酸化物半導体を用いたトランジスタ162は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは、容量素子254に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって保持することが可能である。また、トランジスタ162をノーマリオフのトランジスタとすることで、電力の供給がない場合において、トランジスタ162のゲートには接地電位が入力される構成とすることができる。こうして、電力の供給が無い場合において、トランジスタ162はオフ状態を維持することができ、記憶内容を保持し続けることができる。
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ162がオン状態となると、浮遊状態であるビット線BLと容量素子254とが導通し、ビット線BLと容量素子254の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電位の変化量は、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは容量素子254に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子254の第1の端子の電位をV、容量素子254の容量をC、ビット線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル250の状態として、容量素子254の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
そして、ビット線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。
このように、図6(A)に示す半導体装置は、トランジスタ162のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子254に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
次に、図6(B)に示す半導体装置について、説明を行う。
図6(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図6(A)に示したメモリセル250を複数有するメモリセルアレイ251a及び251bを有し、下部に、メモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)を動作させるために必要な周辺回路258を有する。なお、周辺回路258は、メモリセルアレイ251と電気的に接続されている。
図6(B)に示した構成とすることにより、周辺回路258をメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251a及び251b)の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。
周辺回路258に設けられるトランジスタは、トランジスタ162とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現することが可能である。
なお、図6(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251aと、メモリセルアレイ251b)が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルアレイの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルアレイを積層する構成としても良い。
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
(実施の形態4)
本実施の形態では、本明細書に示すトランジスタを使用した半導体装置の他の例として、論理回路であるNOR型回路、及びNAND型回路を図7(A)乃至(C)に示す。図7(B)はNOR型回路であり、図7(C)はNAND型回路である。図7(A)は図7(B)のNOR型回路におけるトランジスタ802及びトランジスタ803の構造を示す断面図である。
図7(B)及び(C)に示すNOR型回路及びNAND型回路では、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ801、802、811、814は、実施の形態2で示したトランジスタ160と同様の構成とすることができる。本実施の形態では、n型の導電型を有する半導体材料を用いた基板800(例えば、n型単結晶シリコン基板)に、p型を付与する不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を導入してp型不純物領域を有するpチャネル型トランジスタを形成する。
また、nチャネル型トランジスタであるトランジスタ803、804、812、813は、実施の形態1で示すトランジスタと同様な構造を有するチャネル形成領域に酸化物半導体膜を用いたトランジスタを適用する。
なお、図7(A)乃至(C)に示すNOR型回路及びNAND型回路においては、トランジスタ803、804、812、813は、ゲート絶縁層の上面及びゲート電極層の側面と接する絶縁層として酸素に対するバリア性を有する絶縁層を用い、且つ、該酸素に対するバリア性を有する絶縁層を介してゲート電極層の側面に設けられた絶縁層の、ゲート電極層と対向する側面を絶縁物と接する構成とする。よって、酸化物半導体層の酸素欠損を抑制し、寄生容量の発生を抑制することができる。
図7(A)に示す半導体装置は、基板800に単結晶シリコン基板を用いて、該単結晶シリコン基板にトランジスタ802を形成し、トランジスタ802上に、酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタ803を積層する例である。基板800上にはトランジスタ802を囲むように素子分離絶縁層806が設けられている。トランジスタ803上には、絶縁層840が設けられている。
図7(A)には明示的に図示しないが、トランジスタ803のゲート電極層841aは、絶縁層837中に埋め込まれるように設けられた電極層835と電気的に接続している。電極層835は、絶縁層836及び絶縁層833に設けられたコンタクトホールを介して、配線層832と電気的に接続している。また、図7(A)には明示的に図示しないが、配線層832は、絶縁層830及び絶縁層826に設けられたコンタクトホールを介して、トランジスタ802のゲート電極層821と電気的に接続している。従って、トランジスタ803のゲート電極層841aは、トランジスタ802のゲート電極層821と電気的に接続している。
また、図7(A)には明示的に図示しないが、トランジスタ802の電極層825は、配線層834と電気的に接続しており、配線層834は、電極層831を介してトランジスタ803の電極層845と電気的に接続している。よって、トランジスタ802の電極層825と、トランジスタ803の電極層845とは、電気的に接続している。
なお、トランジスタ802の電極層(又はゲート電極層)と、トランジスタ803の電極層(又はゲート電極層)との電気的な接続は、図7(A)に示す構成に限られず、間に介する電極層(又は配線層)、絶縁層の構成は適宜設定することが可能である。
図7(A)に示すように、トランジスタ802と、トランジスタ803とを積層しても設けることより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。また、トランジスタ802はノーマリオフを実現可能なトランジスタであるため、論理回路の制御を正確に行うことができる。
以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態5)
本実施の形態では、半導体装置の一例として、上記実施の形態1に開示したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPU(Central Processing Unit)について説明する。
図8(A)は、CPUの具体的な構成を示すブロック図である。図8(A)に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、及びROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199及びROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図8(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。
バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。
ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、及びレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。
図8(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルには、上記実施の形態2又は3に開示したメモリセルを用いてもよい。
図8(A)に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、論理値を反転させる論理素子によるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。論理値を反転させる論理素子によるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
電源停止に関しては、図8(B)または図8(C)に示すように、メモリセル群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図8(B)及び図8(C)の回路の説明を行う。
図8(B)及び図8(C)では、メモリセルへの電源電位の供給を制御するスイッチング素子に、上記実施の形態1に開示したトランジスタを含む記憶回路の構成の一例を示す。
図8(B)に示す記憶装置は、スイッチング素子1141と、メモリセル1142を複数有するメモリセル群1143とを有している。具体的に、各メモリセル1142には、実施の形態2又は3に記載されているメモリセルを用いることができる。メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位VDDが供給されている。さらに、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142には、信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。
図8(B)では、スイッチング素子1141として、上記実施の形態1に開示したトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極層に与えられる信号SigAによりスイッチングが制御される。
なお、図8(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
また、図8(B)では、スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが、スイッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されていてもよい。
また、図8(C)には、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142に、スイッチング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子1141により、メモリセル群1143が有する各メモリセル1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
メモリセル群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。
ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
また、スピントロニクスデバイスとして知られるスピンMRAM(スピン注入磁化反転型MRAM)と、酸化物半導体を用いたメモリの比較表を表1に示す。
酸化物半導体を用いたトランジスタとシリコンを用いたトランジスタを組み合わせるメモリは、表1に示したように、スピントロニクスデバイスと比べて、駆動方式、書き込み原理、材料などが大きく異なっている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタとシリコンを用いたトランジスタを組み合わせるメモリは、表1に示したように、スピントロニクスデバイスに比べて、耐熱性、3D化(3層以上の積層構造化)、磁界耐性など多くの点で有利である。なお、表1にあるオーバーヘッドの電力とは、プロセッサ内のメモリ部などに書き込む電力など、所謂オーバーヘッドに消費される電力のことである。
このように、スピントロニクスデバイスに比べて有利な点の多い酸化物半導体を用いたメモリを利用することで、CPUの省電力化が実現可能となる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態6)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、煙感知器、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図9に示す。
図9(A)は、表示部を有するテーブル9000を示している。テーブル9000は、筐体9001に表示部9003が組み込まれており、表示部9003により映像を表示することが可能である。なお、4本の脚部9002により筐体9001を支持した構成を示している。また、電力供給のための電源コード9005を筐体9001に有している。
実施の形態1に示すトランジスタは、表示部9003に用いることが可能であり、電子機器に高い信頼性を付与することができる。
表示部9003は、タッチ入力機能を有しており、テーブル9000の表示部9003に表示された表示ボタン9004を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができ、また他の家電製品との通信を可能とする、又は制御を可能とすることで、画面操作により他の家電製品をコントロールする制御装置としてもよい。例えば、イメージセンサ機能を有する半導体装置を用いれば、表示部9003にタッチ入力機能を持たせることができる。
また、筐体9001に設けられたヒンジによって、表示部9003の画面を床に対して垂直に立てることもでき、テレビジョン装置としても利用できる。狭い部屋においては、大きな画面のテレビジョン装置は設置すると自由な空間が狭くなってしまうが、テーブルに表示部が内蔵されていれば、部屋の空間を有効に利用することができる。
図9(B)は、携帯音楽プレーヤであり、本体3021には表示部3023と、耳に装着するための固定部3022と、スピーカ、操作ボタン3024、外部メモリスロット3025等が設けられている。実施の形態1のトランジスタ、または実施の形態2乃至4に示したメモリや論理回路を本体3021に内蔵されているメモリやCPUなどに適用することにより、より省電力化された携帯音楽プレイヤー(PDA)とすることができる。
さらに、図9(B)に示す携帯音楽プレーヤにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。
図9(C)はコンピュータであり、CPUを含む本体9201、筐体9202、表示部9203、キーボード9204、外部接続ポート9205、ポインティングデバイス9206等を含む。コンピュータは、本発明の一態様を用いて作製される半導体装置をその表示部9203に用いることにより作製される。実施の形態5に示したCPUを利用すれば、省電力化されたコンピュータとすることが可能となる。
図10(A)及び図10(B)は2つ折り可能なタブレット型端末である。図10(A)は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、表示部9631a、表示部9631b、表示モード切り替えスイッチ9034、電源スイッチ9035、省電力モード切り替えスイッチ9036、留め具9033、操作スイッチ9038、を有する。
図10(A)及び図10(B)に示すような携帯機器においては、画像データの一時記憶などにメモリとしてSRAMまたはDRAMが使用されている。例えば、実施の形態2又は3に説明した半導体装置をメモリとして使用することができる。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリに採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
また、表示部9631aは、一部をタッチパネルの領域9632aとすることができ、表示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631bを表示画面として用いることができる。
また、表示部9631bにおいても表示部9631aと同様に、表示部9631bの一部をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。
また、タッチパネルの領域9632aとタッチパネルの領域9632bに対して同時にタッチ入力することもできる。
また、表示モード切り替えスイッチ9034は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ9036は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
また、図10(A)では表示部9631bと表示部9631aの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。
図10(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、太陽電池9633、充放電制御回路9634、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有する。なお、図10(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635、DCDCコンバータ9636を有する構成について示している。
なお、タブレット型端末は2つ折り可能なため、未使用時に筐体9630を閉じた状態にすることができる。従って、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。
また、この他にも図10(A)及び図10(B)に示したタブレット型端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池9633によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐体9630の片面又は両面に設けることができ、バッテリー9635の充電を効率的に行う構成とすることができる。なおバッテリー9635としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また、図10(B)に示す充放電制御回路9634の構成、及び動作について図10(C)にブロック図を示し説明する。図10(C)には、太陽電池9633、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、表示部9631について示しており、バッテリー9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図10(B)に示す充放電制御回路9634に対応する箇所となる。
まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池9633で発電した電力は、バッテリー9635を充電するための電圧となるようDCDCコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ9637で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部9631での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー9635の充電を行う構成とすればよい。
なお太陽電池9633については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッテリー9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
図11(A)において、テレビジョン装置8000は、筐体8001に表示部8002が組み込まれており、表示部8002により映像を表示し、スピーカ部8003から音声を出力することが可能である。実施の形態1に示すトランジスタを用いて表示部8002に用いることが可能である。
表示部8002は、液晶表示装置、有機EL素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)などの、半導体表示装置を用いることができる。
テレビジョン装置8000は、受信機やモデムなどを備えていてもよい。テレビジョン装置8000は、受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線又は無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)又は双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
また、テレビジョン装置8000は、情報通信を行うためのCPUや、メモリを備えていてもよい。テレビジョン装置8000は、実施の形態2乃至5のいずれかに示すメモリ、論理回路、CPUを用いることが可能である。
図11(A)において、室内機8200及び室外機8204を有するエアコンディショナーは、実施の形態5のCPUを用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機8200は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図11(A)において、CPU8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、CPU8203は室外機8204に設けられていてもよい。或いは、室内機8200と室外機8204の両方に、CPU8203が設けられていてもよい。実施の形態5に示したCPUは、酸化物半導体を用いたCPUであるため、耐熱性に優れており、信頼性の高いエアコンディショナーを実現できる。
図11(A)において、電気冷凍冷蔵庫8300は、酸化物半導体を用いたCPUを備える電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、CPU8304等を有する。図11(A)では、CPU8304が、筐体8301の内部に設けられている。実施の形態5に示したCPUを電気冷凍冷蔵庫8300のCPU8304に用いることによって省電力化が図れる。
図11(B)において、電気機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車9700には、二次電池9701が搭載されている(図11(C)参照)。二次電池9701の電力は、制御回路9702により出力が調整されて、駆動装置9703に供給される。制御回路9702は、図示しないROM、RAM、CPU等を有する処理装置9704によって制御される。実施の形態5に示したCPUを電気自動車9700のCPUに用いることによって省電力化が図れる。
駆動装置9703は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置9704は、電気自動車9700の運転者の操作情報(加速、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など)の入力情報に基づき、制御回路9702に制御信号を出力する。制御回路9702は、処理装置9704の制御信号により、二次電池9701から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置9703の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。