JP6416981B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
CPUは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路(少なくともトランジスタ及び
メモリ)を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
目されている。例えば、酸化物半導体膜として酸化亜鉛(ZnO)を用いるトランジスタ
や、InGaO3(ZnO)mを用いるトランジスタが挙げられる。
に一元系酸化物半導体層、該一元系酸化物半導体層上に第2の多元系酸化物半導体層を積
層した三層構造が開示されている。
酸化物半導体層と絶縁膜の界面状態により電気特性が左右される。
酸化物半導体層をスパッタ法によって成膜すると、スパッタリング時にシリコンが酸化物
半導体層中に混入する恐れがある。酸化物半導体層中にシリコンが混入するとトランジス
タの電界効果移動度の低下を招く恐れがある。
にキャリアが多く流れるため、トランジスタ特性を得ることが困難となる。
キャリアを流す酸化物半導体層がシリコンを含むゲート絶縁膜から離れている埋め込みチ
ャネル構造とする。具体的にはゲート絶縁膜と酸化物半導体層の間にバッファ層を設ける
。酸化物半導体層とバッファ層はともにインジウムと金属元素を含む材料を用いる。この
金属元素Mとしてはガリウム、またはハフニウムなどが挙げられる。酸化物半導体層に含
まれる金属元素M、例えばガリウムに対するインジウムの組成は、バッファ層に含まれる
ガリウムに対するインジウムの組成より高くする。また、バッファ層は酸化物半導体層よ
りも膜厚を小さくし、酸化物半導体層に含まれる金属元素に対するインジウムの組成が少
ない材料を用いる。
、第1のバッファ層と第2のバッファ層とで酸化物半導体層を挟む構造とすることが好ま
しい。
1のバッファ層と、第1のバッファ層上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層上に第2の
バッファ層と、第2のバッファ層上に第2の絶縁層とを有し、酸化物半導体層、第1のバ
ッファ層、及び第2のバッファ層は少なくともインジウムとガリウムを含む酸化物半導体
材料であり、酸化物半導体層に含まれるガリウムに対するインジウムの組成は、第1及び
第2のバッファ層に含まれるガリウムに対するインジウムの組成より高く、酸化物半導体
層の膜厚は、第1のバッファ層の膜厚より大きい、且つ、第2のバッファ層の膜厚より大
きいことを特徴とする半導体装置である。
上と第1の絶縁層の間に有する構造である。
2の絶縁層上に有する構造である。
合、上記構成に加えて、さらに第1のゲート電極層を絶縁表面上と第1の絶縁層の間に有
し、第2の絶縁層上に第2のゲート電極層を有する構造である。
単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化
物半導体膜、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline
Oxide Semiconductor)膜などをいう。
化物半導体膜である。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
酸化物半導体膜が典型である。
ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原
子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜より
も欠陥準位密度が低いという特徴がある。
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−O
S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膜よりも欠
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
。
ron 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、CA
AC−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。
)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。
M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。
いることがわかる。
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。
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
、InGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO4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。
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。
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。
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、CAA
C−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。
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。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
AC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
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。
。
用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが
衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面から劈開し、a
−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離する
ことがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基
板に到達することで、スパッタリング用ターゲットの結晶状態が基板に転写され、CAA
C−OS膜を成膜することができる。
る。例えば、成膜室内に存在する不純物(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を低減
すればよい。また、成膜ガス中の不純物を低減すればよい。具体的には、露点が−80℃
以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましく
は200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平
板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
平らな面が基板に付着する。
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体
積%とする。
いて以下に示す。
000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−Ga−Z
n−O化合物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで、所
定の比率は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末およびZnOZ粉末が、2:2:1、
8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2のmol数比である
。なお、粉末の種類、およびその混合する比率は、作製するスパッタリング用ターゲット
によって適宜変更すればよい。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
いる場合、同一の結晶構造であるため、界面に欠陥が少なく、高い電界効果移動度が実現
できる。また、CAAC−OS膜である酸化物半導体層上に接してバッファ層を形成する
と、酸化物半導体層を結晶の種としてその上に形成されるバッファ層も結晶化しやすくな
り、同一の結晶構造とすることができ好ましい。
層の膜厚は2nm以上15nm以下、好ましくは5nm以上10nm以下とする。また、
酸化物半導体層の膜厚は、バッファ層の膜厚より大きくする。このような構成とすること
で、キャリアは、バッファ層と酸化物半導体層の界面または酸化物半導体層内を流れる構
成、即ちキャリアを流す酸化物半導体層がシリコンを含むゲート絶縁膜から離れている構
成とすることができる。
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、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。
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形態を、図1を用いて説明
する。本実施の形態では、酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製方法の一例を示す
。
法、蒸着法などを用いて導電膜を形成し、該導電膜をエッチングして、導電層491、配
線層434、436を形成する。
とも、後の熱処理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。
ム、若しくは酸化アルミニウムなどの酸化絶縁膜、又は、窒化シリコン、若しくは窒化ア
ルミニウムなどの窒化絶縁膜、又は、酸化窒化シリコン、若しくは酸化窒化アルミニウム
などの酸化窒化絶縁膜、又は、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁膜から選ばれた一の
絶縁膜、又は、複数が積層された絶縁膜で形成できる。なお、「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ものをいい、「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ものをいう。また、半導体素子が設
けられた基板を用いる場合、絶縁膜433としてプラズマCVD(Chemical V
apor Deposition)法を用いて、シラン(SiH4)と窒素(N2)の混
合ガスを供給して成膜する窒化シリコン膜を用いることが好ましい。この窒化シリコン膜
はバリア膜としても機能し、水素又は水素化合物が、後に形成する酸化物半導体層へ混入
することを抑制して半導体装置の信頼性を向上させる。また、プラズマCVD法の供給ガ
スをシラン(SiH4)、窒素(N2)及びアンモニア(NH3)の混合ガスとして成膜
された窒化シリコン膜は、供給ガスをシラン(SiH4)と窒素(N2)の混合ガスとし
て成膜された窒化シリコン膜よりも膜中欠陥を低減することができる。シラン(SiH4
)、窒素(N2)及びアンモニア(NH3)の混合ガスとして成膜された窒化シリコン膜
を膜厚300nm以上400nm以下で設けることで、ESD耐性を300V以上とする
ことができる。従って、シラン(SiH4)、窒素(N2)及びアンモニア(NH3)の
混合ガスとして成膜された窒化シリコン膜を膜厚300nm以上400nm以下で形成し
、その上にシラン(SiH4)と窒素(N2)の混合ガスを供給して成膜する窒化シリコ
ン膜を積層した積層膜を絶縁膜433として用いると、高いESD耐性を有する高いバリ
ア膜を実現できる。
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、導電層491、配線層4
34、436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。導電層491、配線
層434、436は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
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。
、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数を有する材料をゲート電極層とし
て用いて、トランジスタのしきい値電圧をプラスにすることが好ましい。具体的には、I
n−N結合を有し、且つ、固有抵抗が1×10−1〜1×10−4Ω・cm、好ましくは
固有抵抗が5×10−2〜1×10−4Ω・cmを有する材料をゲート電極層として用い
る。その材料の一例としては、窒素を含むIn−Ga−Zn系酸化物膜や、窒素を含むI
n−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In−O膜や、金属窒化膜(InNなど)などが挙げられる。
絶縁膜は導電層491及び配線層434、436の形状を反映した表面に凸部を有する膜
である。
、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化
ガリウム、酸化ガリウム亜鉛、酸化亜鉛、又はこれらの混合材料を用いて形成することが
できる。酸化物絶縁膜は、単層でも積層でもよい。
l Polishing:CMP))を行い、平坦化された酸化物絶縁膜435を形成し
、配線層434、436の上面及び導電層491の上面を露呈させている。CMPを行っ
た後は洗浄を行い、基板に付着している水分を除去する加熱処理を行う。ここまでの工程
を終えた断面図が図1(A)に相当する。
工程を終えた断面図が図1(B)に相当する。
403を選択的にエッチングする。ここまでの工程を終えた断面図が図1(C)に相当す
る。絶縁膜437と酸化物半導体膜の積層403は大気に触れることなく連続的に成膜す
ると、膜界面の不純物汚染を防ぐことができ、好ましい。
場合、特にマイクロ波の電界エネルギーを利用してプラズマを発生させ、プラズマにより
絶縁膜の原料ガスを励起させ、励起させた原料ガスを被形成物上で反応させて反応物を堆
積させるプラズマCVD法(マイクロ波プラズマCVD法ともいう。)を用いて形成する
ことが好ましい。マイクロ波を用いたプラズマCVD法で形成した絶縁膜は緻密な膜とな
ることから、当該絶縁膜を加工して形成される絶縁膜437も緻密な膜である。絶縁膜4
37の膜厚は、5nm以上300nm以下とする。
ム、若しくは酸化アルミニウムなどの酸化絶縁膜、又は、酸化窒化シリコン、若しくは酸
化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁膜、又は、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁
膜から選ばれた一の絶縁膜、又は、複数が積層された絶縁膜で形成できる。また、絶縁膜
437の他の材料として、In:Ga:Zn=1:3:2の原子数比のターゲットを用い
て成膜されるIn−Ga−Zn系酸化物膜を用いてもよい。
物半導体膜403a、第2の酸化物半導体膜403b、第3の酸化物半導体膜403cの
順に積層した3層構造とする。
nなど)を含む酸化物、例えば二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、In−M
g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−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、I
n−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−Y
b−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−Sn−Hf−Zn系酸化
物などを用いることができる。
ーゲットを用いて成膜される膜厚10nmのIn−Ga−Zn系酸化物膜を用いる。なお
、第1の酸化物半導体膜403aは、第1のバッファ層と呼ぶことができる。
比のターゲットを用いて成膜される膜厚20nmのIn−Ga−Zn系酸化物膜を用いる
。第2の酸化物半導体膜403bに含まれるガリウムに対するインジウムの組成は、第1
のバッファ層に含まれるガリウムに対するインジウムの組成より高くする。好ましくは、
第2の酸化物半導体膜403bにおいて膜中のインジウムがガリウムより多くなる組成と
する。
比のターゲットを用いて成膜される膜厚10nmのIn−Ga−Zn系酸化物膜を用いる
。なお、第3の酸化物半導体膜403cは、第2のバッファ層と呼ぶことができる。
bよりも膜厚が小さくする。また、第1のバッファ層及び第2のバッファ層は、キャリア
を流す第2の酸化物半導体膜403bよりも、酸化物半導体層に含まれる金属元素に対す
るインジウムの組成が小さい材料を用いる。好ましくは、第1のバッファ層及び第2のバ
ッファ層において膜中のインジウムがガリウムと同じ、または以下となる組成とする。
ンを含む絶縁膜に接していない構造とする。
用いるターゲットと、第2の酸化物半導体膜403bを形成する際に用いるターゲットは
多結晶ターゲットを用い、CAAC−OS膜とすることが好ましい。また、第2の酸化物
半導体膜403bを結晶化しやすい組成を用いることで、第2の酸化物半導体膜403b
と接する第1の酸化物半導体膜403a及び第3の酸化物半導体膜403cも結晶化させ
ることができる。第1の酸化物半導体膜403aと第2の酸化物半導体膜403bの界面
に欠陥が少なく、且つ、第2の酸化物半導体膜403bと第3の酸化物半導体膜403c
の界面に欠陥が少ないため、高い電界効果移動度が実現できる。望ましくはキャリアが流
れるのを第2の酸化物半導体膜403bのみとなるように膜厚や組成を調節する。
と、絶縁膜437と第1の酸化物半導体膜403aの界面の不純物汚染を防ぐことができ
、第2の酸化物半導体膜403bと第3の酸化物半導体膜403cを大気に触れることな
く連続的に成膜すると、第2の酸化物半導体膜403bと第3の酸化物半導体膜403c
の界面の不純物汚染を防ぐことができる。また、第3の酸化物半導体膜403cは、第2
の酸化物半導体膜403bが後の工程のエッチングなどにより大気に触れることから保護
する保護膜としても機能する。キャリアを流す第2の酸化物半導体膜403bの膜中及び
膜の上下の界面にシリコンなどの不純物を混入させないようにすることで高い電界効果移
動度を実現する。
膜を選択的にエッチングして電極層445a、445b、及び導電層442が形成される
。ここまでの工程を終えた断面図が図1(D)に相当する。このエッチングの際に複数回
のエッチングを行うことで下端部に突出した領域を有する断面構造の電極を形成している
。なお、下端部に突出した領域を有する電極層445aまたは電極層445bは、トラン
ジスタのソース電極層またはドレイン電極層である。電極層445aは、配線層436上
に接して設けられ、電極層445bは、配線層434上に接して設けられている。
ジスタのチャネル長Lを50nm未満、例えば30nm程度とする場合には、電子ビーム
を用いてレジストを露光し、現像したマスクを導電膜のエッチングマスクとして用いるこ
とが好ましい。電子ビームは、加速電圧が高いほど微細パターンを得ることができる。ま
た、電子ビームは、マルチビームとして基板1枚あたりの処理時間を短縮することもでき
る。電子ビームの照射が可能な電子ビーム描画装置において、例えば、加速電圧は5kV
〜50kVであることが好ましい。また、電流強度は、5×10−12〜1×10−11
Aであることが好ましい。また、最小ビーム径は、2nm以下であることが好ましい。ま
た、作製可能なパターンの最小線幅が8nm以下であることが好ましい。上記条件により
、例えばパターンの幅を30nm以下、好ましくは20nm以下さらに好ましくは8nm
以下にすることができる。
半導体膜の積層403上にも絶縁膜402を形成する。絶縁膜402の材料としては、酸
化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化ガリウム亜鉛膜、Ga2O3(Gd2O3)膜、酸
化亜鉛膜、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て形成することができる。また、他の材料と
して導電性の低いIn−Ga−Zn系酸化物膜も絶縁膜402の材料として用いることが
できる。導電性の低いIn−Ga−Zn系酸化物膜は、In:Ga:Zn=1:3:2[
原子数比]の酸化物ターゲットを用い、基板温度を室温とし、スパッタリングガスにアル
ゴン、またはアルゴンと酸素の混合ガスを用いて形成すればよい。
とがより好ましい。酸化物半導体膜の積層403と接する絶縁層が酸素過剰領域を含むこ
とで、酸化物半導体膜の積層403へ酸素を供給することが可能となり、酸化物半導体膜
の積層403からの酸素の脱離を防止するとともに酸素欠損に酸素を供給することが可能
となるためである。絶縁膜402に酸素過剰領域を設けるには、例えば、酸素雰囲気下に
て絶縁膜402を形成すればよい。又は、成膜後の絶縁膜402に酸素を導入して、酸素
過剰領域を形成してもよい。また、絶縁膜402は、積層構造とすることが望ましく、酸
素過剰領域を含む絶縁膜上に0.17W/cm2以上0.5W/cm2以下、さらに好ま
しくは0.26W/cm2以上0.35W/cm2以下の高周波電力を供給する条件によ
り、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。具体的には、原料ガスである
シラン(SiH4)を160sccm、原料ガスである一酸化二窒素(N2O)を400
0sccm供給し、処理室内の圧力を200Paに制御し、27.12MHzの高周波電
源を用いて1500Wの電力を供給して酸化窒化シリコン膜を形成する。また、酸化窒化
シリコン膜を形成する際の基板温度は220℃とする。
、導電膜を形成し、導電膜を選択的にエッチングすることで導電層442と電気的に接続
する電極層438と、絶縁膜402を介して酸化物半導体膜の積層403上にゲート電極
層401とを形成する。そして、ゲート電極層401及び電極層438を覆い、バリア膜
として機能する絶縁膜407を設ける。
ガスを供給して成膜する窒化シリコン膜を用いることが好ましい。この窒化シリコン膜は
バリア膜として機能し、水素又は水素化合物が、酸化物半導体膜へ混入することを抑制し
て半導体装置の信頼性を向上させる。
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及び
電極層438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
及び電極層438は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。
を用いる。
参照)。トランジスタ415は、デュアルゲート構造のトランジスタの一例であり、図2
(A)は、トランジスタ415のチャネル長方向の断面図である。なお、デュアルゲート
構造のトランジスタ415において、絶縁膜437は第1のゲート絶縁膜、絶縁膜402
は第2のゲート絶縁膜となる。
いわゆるバッグゲートともいう)として機能することができる。例えば導電層491の電
位をGND(または固定電位)とすることでトランジスタ415のしきい値電圧をよりプ
ラスとし、ノーマリーオフのトランジスタとすることができる。
でき、工程数を変更することなく、レイアウトを変更することで同一基板上にデュアルゲ
ート構造のトランジスタとトップゲート構造のトランジスタの両方を作製することもでき
る。
Yで切断した断面が図2(A)に相当する。
。本実施の形態では、図2(C)に示すエネルギーバンド図となるように、第1の酸化物
半導体膜403a、第2の酸化物半導体膜403b、及び第3の酸化物半導体膜403c
の材料を選択する。ただし、伝導帯に埋め込みチャネルが形成されれば十分な効果が得ら
れるため、必ずしも図2(C)のように伝導帯と価電子帯の両方に凹部を有するエネルギ
ーバンド図に限定しなくともよく、例えば伝導帯のみに凹部を有するエネルギーバンド図
が得られる構成としてもよい。
本実施の形態では、ボトムゲート構造を有するトランジスタの作製方法の一例を以下に示
す。なお、実施の形態1と途中の工程までは同一であるため、その部分の詳細な説明は省
略することとする。
上に導電層491、配線層434、436を形成する。導電層491、及び配線層434
、436上に酸化物絶縁膜を形成する。そして、研磨処理を行い、平坦化された酸化物絶
縁膜435を形成し、配線層434、436の上面及び導電層491の上面を露呈させて
いる。CMPを行った後は洗浄を行い、基板に付着している水分を除去する加熱処理を行
う。平坦化させた後は、絶縁膜437と酸化物半導体膜の積層403を形成する。そして
、同一マスクを用いてパターニングを行い、絶縁膜437と酸化物半導体膜の積層403
を選択的にエッチングする。ここまでが図1(C)と同じ段階までの工程である。
る工程で用いたレジストマスクをそのまま用い、酸化物絶縁膜435を部分的に薄くなる
ようにエッチングして、配線層434、436の上面の露出面積を増大させる。その後、
導電膜を形成し、この導電膜を選択的にエッチングして電極層445a、445b、及び
導電層442が形成される。
絶縁膜402を形成する。
、導電膜を形成し、導電膜を選択的にエッチングすることで導電層442と電気的に接続
する電極層438を形成する。そして、電極層438を覆い、バリア膜として機能する絶
縁膜407を設ける。
参照)。トランジスタ416は、ボトムゲート構造のトランジスタの一例であり、図3(
A)は、トランジスタ416のチャネル長方向の断面図である。
417は、実施の形態1に示した図1(C)と同じ段階までの工程を行った後、層間絶縁
膜439を設け、層間絶縁膜439に配線層434に達する開口と、配線層436に達す
る開口を形成する。そして、電極層445a、445bを形成し、電極層445aと配線
層436を電気的に接続し、電極層445bと配線層434を電気的に接続している。
層434または配線層436を電極層445a、または電極層445bと確実に接続させ
ることで歩留まりの向上を図ることのできる構造である。
本実施の形態では、実施の形態1に示すトランジスタを使用した半導体装置の例を図4を
用いて説明する。
を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ610を有するものである。トラ
ンジスタ610は、実施の形態1で示すトランジスタ415と同様な構造を有する例であ
る。また、図2と同じ箇所は同じ符号を用いて説明する。なお、図4(B)は図4(A)
に相当する半導体装置の回路図である。
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。シリコンなどの材料
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。
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(Silicon o
n Insulator)基板などを用いることができ、トランジスタのチャネル形成領
域は、半導体基板中、又は半導体基板上に形成することができる。図4(A)に示す半導
体装置は、半導体基板中にチャネル形成領域を形成して下部のトランジスタを作製する例
である。
単結晶シリコン基板にトランジスタ740、トランジスタ750を形成しており、第1の
半導体材料として単結晶シリコンを用いている。トランジスタ740はnチャネル型トラ
ンジスタ、トランジスタ750はpチャネル型トランジスタであり、トランジスタ740
及びトランジスタ750は電気的に接続されたCMOS(相補型金属酸化物半導体:Co
mplementary Metal Oxide Semiconductor)回路
760を形成している。
用いているため、pチャネル型トランジスタであるトランジスタ750の形成領域に、n
型を付与する不純物元素を添加し、nウェルを形成する。トランジスタ750のチャネル
形成領域753はnウェルに形成される。n型を付与する不純物元素としては、リン(P
)やヒ素(As)等を用いることができる。
型を付与する不純物元素の添加を行っていないが、p型を付与する不純物元素を添加する
ことによりpウェルを形成してもよい。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)等を用いることができる。
物元素を添加してpウェルを形成してもよい。
Drain)領域やエクステンション領域として機能するn型不純物領域744、ソー
ス領域又はドレイン領域として機能するn型不純物領域745、ゲート絶縁膜742、ゲ
ート電極層741を有している。なお、n型不純物領域745の不純物濃度は、n型不純
物領域744よりも高い。ゲート電極層741の側面には側壁絶縁層746が設けられて
おり、ゲート電極層741及び側壁絶縁層746をマスクとして用いて、不純物濃度が異
なるn型不純物領域744、n型不純物領域745を自己整合的に形成することができる
。
して機能するp型不純物領域754、ソース領域又はドレイン領域として機能するp型不
純物領域755、ゲート絶縁膜752、ゲート電極層751を有している。なお、p型不
純物領域755の不純物濃度は、p型不純物領域754よりも高い。ゲート電極層751
の側面には側壁絶縁層756が設けられており、ゲート電極層751及び側壁絶縁層75
6をマスクとして用いて、不純物濃度が異なるp型不純物領域754、p型不純物領域7
55を自己整合的に形成することができる。
により分離されており、トランジスタ740及びトランジスタ750上に絶縁膜788、
及び絶縁膜687が積層されている。絶縁膜687上には、絶縁膜788及び絶縁膜68
7に形成された開口を介してn型不純物領域745に接する配線層647と、絶縁膜78
8及び絶縁膜687に形成された開口を介してp型不純物領域755に接する配線層65
7とを有する。また、絶縁膜687上には、トランジスタ740及びトランジスタ750
を電気的に接続する配線層748が形成されている。配線層748は、絶縁膜788及び
絶縁膜687に形成されてn型不純物領域745に達する開口でn型不純物領域745と
電気的に接続され、絶縁膜788及び絶縁膜687に形成されてp型不純物領域755に
達する開口でp型不純物領域755と電気的に接続される。
、絶縁膜686上に配線層658が形成されている。配線層658は、絶縁膜788、絶
縁膜687、絶縁膜686に形成された開口を介してゲート配線と電気的に接続されてい
る。ゲート配線は、ゲート絶縁膜742、及びゲート絶縁膜752上に形成されており、
ゲート配線がそれぞれ分岐してゲート電極層741及びゲート電極層751となっている
。
40、750としてシリサイド(サリサイド)を有するトランジスタや、側壁絶縁層を有
さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド(サリサイド)を有する構造であると、
ソース領域及びドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。ま
た、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。
明する。
491、配線層434と配線層692が形成されている。
いる。酸化物絶縁膜435上には、絶縁膜437と、絶縁膜437上に第1の酸化物半導
体膜403aと、第1の酸化物半導体膜403a上に第1の酸化物半導体膜403aと組
成の異なる第2の酸化物半導体膜403bと、第1の酸化物半導体膜403aと組成がほ
ぼ同じ第3の酸化物半導体膜403cとを有する。そして、第3の酸化物半導体膜403
c上に、突出した領域を下端部に有する電極層445a、及び突出した領域を下端部に有
する電極層445bを有する。第2の酸化物半導体膜403bのうち、電極層445a及
び電極層445bと重なっていない領域(チャネル形成領域)上に接して絶縁膜402を
有し、その上にゲート電極層401が設けられている。
しており、容量素子690は、電極層445aを一方の電極とし、容量電極層693をも
う一方の電極とし、それらの間に設けられた絶縁膜402を誘電体とする容量である。な
お、容量電極層693はゲート電極層401と同じ工程で形成される。
気的特性を制御するバッグゲートとして機能させる。なお、導電層491は静電気に対す
る静電遮蔽機能も有する。ただし、導電層491を用いてトランジスタ610のしきい値
を制御し、ノーマリーオフのトランジスタとする必要がない場合には、導電層491を設
けなくともよい。また、ある特定の回路の一部にトランジスタ610を用いる場合に導電
層491を設けると支障がでる恐れがある場合には、その回路には設けなくともよい。
る。本実施の形態において、絶縁膜684はCMP法による平坦化処理を行っている例で
ある。
タ610の電気的特性の劣化や変動を招く水素等の不純物が、下部から上部へ侵入しない
ように、バリア膜として機能する。よって、不純物等の遮断機能の高い、緻密な無機絶縁
膜(例えば、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜など)を用いることが好ましい。絶縁
膜684は、実施の形態1に示した絶縁膜433と同じ材料を用いることができる。
415と同様に作製することができる。そして、絶縁膜407を形成した後、層間絶縁膜
485を形成する。さらに、層間絶縁膜485に埋め込み配線を形成し、埋め込み配線上
方に他の半導体素子や配線などを形成して多層構造を有する半導体装置を作製してもよい
。
きる。
実施の形態1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型回路の断面図の一例を図5(A)に示す。図5(B)は図5(A)に対応するN
OR型回路の回路図であり、図5(C)はNAND型回路の回路図である。
るトランジスタ801、802は、図4に示すトランジスタ750と同様な構造を有する
、チャネル形成領域に単結晶シリコン基板を用いたトランジスタとし、nチャネル型トラ
ンジスタであるトランジスタ803、804は、図4に示すトランジスタ610、及び実
施の形態1で示すトランジスタ415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用いる。
04は、酸化物半導体膜を介して、ゲート電極層と重なる位置にトランジスタの電気的特
性を形御する導電層491を設ける。該導電層の電位を制御し、例えばGNDとすること
でトランジスタ803、804のしきい値電圧をよりプラスとし、さらにノーマリーオフ
のトランジスタとすることができる。なお、本実施の形態は、NOR型回路において、ト
ランジスタ803及びトランジスタ804に設けられ、バックゲートとして機能できる該
導電層同士は電気的に接続する例である。しかしこれに限定されず、上記バックゲートと
して機能できる導電層はそれぞれ独立して電気的に制御される構造であってもよい。
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、酸化物半導体膜の
積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。
、配線層832は、配線層835と電気的に接続している。また、トランジスタ803の
ゲート電極層401は、埋め込み配線と電気的に接続し、埋め込み配線は、電極層842
と電気的に接続している。なお、埋め込み配線は、第1のバリア金属膜486と、第2の
バリア金属膜488と、第1のバリア金属膜486と第2のバリア金属膜488で囲まれ
た低抵抗導電層487とで構成される。
第1のバリア金属膜486を成膜し、その上に低抵抗導電層487を形成するための銅ま
たは銅合金膜を成膜する。そして、平坦化するために研磨を行い、露出した低抵抗導電層
487を保護するため、第2のバリア金属膜488を形成する。埋め込み配線は、第1の
バリア金属膜486と、第2のバリア金属膜488と、第1のバリア金属膜486と第2
のバリア金属膜488で囲まれた低抵抗導電層487とで構成される。
まれる銅の拡散を抑える導電材料を用いればよく、例えば窒化タンタル膜、窒化モリブデ
ン膜、窒化タングステン膜などを用いる。
5は絶縁膜833に形成された開口に設けられ、電極層842は配線層835上に形成さ
れる。
スタ803の電極層445bと電気的に接続する。配線層831は絶縁膜830に形成さ
れた開口に設けられ、配線層834は絶縁膜833に形成された開口に設けられている。
なお、電極層445aまたは電極層445bは、トランジスタ803のソース電極層また
はドレイン電極層である。
膜403b上に接して、第3の酸化物半導体膜403cが形成される。また、絶縁膜43
7及び絶縁膜402によって、不必要な酸素の放出が抑制でき、第2の酸化物半導体膜4
03bを酸素過剰な状態に維持することができる。従って、トランジスタ803において
、効率よく第2の酸化物半導体膜403b中及び界面の酸素欠損に酸素の供給を行うこと
が可能となる。トランジスタ804も、トランジスタ803と同様の構成であり、同様の
効果を有する。
11、814は、図4に示すトランジスタ750と同様な構造を有し、nチャネル型トラ
ンジスタであるトランジスタ812、813は、図4に示すトランジスタ610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用いる。
物半導体膜を介して、ゲート電極層と重なる位置にトランジスタの電気的特性を形御する
導電層を設ける。該導電層の電位を制御し、例えばGNDとすることでトランジスタ81
2、813のしきい値電圧をよりプラスとし、さらにノーマリーオフのトランジスタとす
ることができる。なお、本実施の形態は、NAND型回路において、トランジスタ812
及びトランジスタ813に設けられ、バックゲートとして機能する該導電層同士は電気的
に接続する例である。しかしこれに限定されず、上記バックゲートとして機能できる導電
層はそれぞれ独立して電気的に制御される構造であってもよい。
の極めて小さいトランジスタを適用することで、消費電力を十分に低減することができる
。
を実現し、かつ安定で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。
AND型回路の例を示したが、特に限定されず、実施の形態1または実施の形態2に示す
トランジスタを使用してAND型回路やOR回路などを形成することができる。例えば、
実施の形態1または実施の形態2に示すトランジスタを使用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(記憶装置
)を作製することもできる。
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。トランジスタ160は、本実施の形態で示した
トランジスタ740、750、802を用いることができる。
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のソース電極層又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。
16、417のいずれか一の構造を用いることができる。
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。
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)。
の電荷は長時間にわたって保持される。
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。
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。又は、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。
ルを複数含む、メモリセルアレイ(メモリセルアレイ3400_1乃至メモリセルアレイ
3400_n(nは2以上の整数))を複数層有し、下部にメモリセルアレイ3400_
1乃至メモリセルアレイ3400_nを動作させるために必要な論理回路3004を有す
る。
00_2を図示しており、メモリセルアレイ3400_1又はメモリセルアレイ3400
_2に含まれる複数のメモリセルのうち、メモリセル3170aと、メモリセル3170
bを代表で示す。メモリセル3170a及びメモリセル3170bとしては、例えば、本
実施の形態において説明した図6の回路構成と同様の構成とすることもできる。
物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタを用いる。酸化物半導体膜にチャネ
ル形成領域を有するトランジスタの構成については、実施の形態1において説明した構成
と同様であるため、説明は省略する。
いたトランジスタを有する。例えば、半導体材料(例えば、シリコンなど)を含む基板に
素子分離絶縁層を設け、素子分離絶縁層に囲まれた領域にチャネル形成領域となる領域を
形成することによって得られるトランジスタとすることができる。なお、トランジスタは
、絶縁表面上に形成された多結晶シリコン膜等の半導体膜や、SOI基板のシリコン膜に
チャネル形成領域が形成されるトランジスタであってもよい。
は層間絶縁層を間に介して積層され、層間絶縁層を貫通する電極や配線によって適宜電気
的接続等を行うことができる。
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、又は、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。
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、
ゲート絶縁膜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。
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。
合わせることができる。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、実施の形態1または実施の形態2で示すト
ランジスタ415、416、417のいずれか一を少なくとも一部に用いたCPU(Ce
ntral Processing Unit)について説明する。
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11
93、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。
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。
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。
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、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C
LK2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。
スタ1196のメモリセルには、上記実施の形態4に開示したメモリセルを用いることが
できる。
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、フリップフロップによるデータの保持を行うか、
容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保
持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行わ
れる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き
換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することがで
きる。
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。
素子に、実施の形態1または実施の形態2で示すトランジスタ415、416、417の
いずれか一を含む記憶回路の構成の一例を示す。
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1
142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。
示すトランジスタ415、416、417のいずれか一を用いており、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。
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。
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。
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。
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。
rocessor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmabl
e Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
宜組み合わせて用いることができる。
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、電子機器の範
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、及び図10に示す。
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963
1b、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。
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4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、図9(A)及
び図9(B)に示すような携帯機器においては、画像処理や演算処理を行うCPUが使用
されている。そのCPUに実施の形態5に示したCPUを用いることが可能であり、用い
た場合、携帯機器の消費電力を低減することができる。
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。
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。
ッチ入力することもできる。
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。
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。
3、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9(B)では充放電制御回路9634の一例としてバッテリー9635、D
CDCコンバータ9636を有する構成について示している。
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。
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。
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ため好適である。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。
ブロック図を示し説明する。図9(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9(B)に示す充放電制御回路963
4に対応する箇所となる。
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。
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。
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。
置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devic
e)、PDP(Plasma Display Panel)などの、半導体表示装置を
用いることができる。
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。
てもよい。テレビジョン装置8000は、実施の形態4に示すメモリや、実施の形態5に
示したCPUを用いることが可能である。
ーは、実施の形態5のCPUを用いた電子機器の一例である。具体的に、室内機8200
は、筐体8201、送風口8202、CPU8203等を有する。図10(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、CPU8
203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82
04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を
エアコンディショナーのCPUに用いることによって省電力化が図れる。
る電子機器の一例である。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10(A)では、C
PU8304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。
0には、二次電池9701が搭載されている(図10(C))。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。
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9
702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。
162:トランジスタ
164:容量素子
400:基板
401:ゲート電極層
402:絶縁膜
403:酸化物半導体膜の積層
403a:第1の酸化物半導体膜
403b:第2の酸化物半導体膜
403c:第3の酸化物半導体膜
415 トランジスタ
416 トランジスタ
417 トランジスタ
433 絶縁膜
434 配線層
435 酸化物絶縁膜
436 配線層
437 絶縁膜
438 電極層
439 層間絶縁膜
442 導電層
445a:電極層
445b:電極層
485 層間絶縁膜
486 バリア金属膜
487 低抵抗導電層
488 バリア金属膜
491 導電層
610 トランジスタ
647 配線層
657 配線層
658 配線層
684 絶縁膜
686 絶縁膜
687 絶縁膜
690 容量素子
692 配線層
693 容量電極層
700 基板
740 トランジスタ
741 ゲート電極層
742 ゲート絶縁膜
743 チャネル形成領域
744 n型不純物領域
745 n型不純物領域
746 側壁絶縁層
748 配線層
750 トランジスタ
751 ゲート電極層
752 ゲート絶縁膜
753 チャネル形成領域
754 p型不純物領域
755 p型不純物領域
756 側壁絶縁層
760 回路
788 絶縁膜
789 素子分離領域
800 基板
801 トランジスタ
802 トランジスタ
803 トランジスタ
804 トランジスタ
811 トランジスタ
812 トランジスタ
813 トランジスタ
814 トランジスタ
825 電極層
826 絶縁膜
830 絶縁膜
831 配線層
832 配線層
833 絶縁膜
834 配線層
835 配線層
842 電極層
1141 スイッチング素子
1142 メモリセル
1143 メモリセル群
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
3004 論理回路
3170a メモリセル
3170b メモリセル
3400 メモリセルアレイ
8000 テレビジョン装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 CPU
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 CPU
9033 留め具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9700 電気自動車
9701 二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (1)
- 第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する第1の導電層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する第2の導電層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する第3の導電層と、
前記第1の絶縁層の上面と接する第2の絶縁層と、
前記第1の導電層と、前記第2の絶縁層の上面と接する領域を有する、第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層と重畳する領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上面と接する領域を有する、第4の導電層と第5の導電層と、を有し、
前記第4の導電層は前記第2の導電層と電気的に接続し、
前記第5の導電層は前記第3の導電層と電気的に接続し、
前記第2の絶縁層は、前記酸化物半導体層と重なる第1の領域と、前記酸化物半導体層と重ならない第2の領域と、を有し、
前記第1の領域の膜厚は、前記第2の領域の膜厚より大きい、ことを特徴とする半導体装置。
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