JP6698649B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置に関する。または、本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。  The present invention relates to, for example, a transistor and a semiconductor device. Alternatively, the present invention relates to a method for manufacturing a transistor and a semiconductor device, for example. Alternatively, the present invention relates to, for example, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a storage device, a processor, and an electronic device. Alternatively, the present invention relates to a manufacturing method of a display device, a liquid crystal display device, a light emitting device, a storage device, and an electronic device. Alternatively, the present invention relates to a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a storage device, and a method for driving an electronic device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。  Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。  Note that in this specification and the like, a semiconductor device generally means a device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A display device, a light-emitting device, a lighting device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

電子機器を構成するCPU、メモリなどの様々な集積回路(IC)において、シリコンからなるトランジスタが広く用いられている。電子機器の高性能化、小型化、軽量化に伴い、集積回路は高集積化され、トランジスタのサイズは微細化している。これに従って、トランジスタ作製のプロセスルールも、45nm、32nm、22nmと年々小さくなっている。  Transistors made of silicon are widely used in various integrated circuits (ICs) such as CPUs and memories that constitute electronic devices. 2. Description of the Related Art As electronic devices have become higher in performance, smaller in size, and lighter in weight, integrated circuits have been highly integrated and transistors have been miniaturized. In accordance with this, the process rule for manufacturing a transistor has been reduced to 45 nm, 32 nm, and 22 nm year by year.

このように、トランジスタの微細化が進むことで、短チャネル効果と呼ばれる問題が生じている。短チャネル効果とは、トランジスタの微細化(チャネル長(L)の縮小)に伴って顕在化する電気特性の劣化であり、ドレイン電極の電界の効果がソース電極にまでおよぶことに起因するものである。短チャネル効果の具体例としては、しきい値電圧の低下、サブスレッショルドスイング値の増大、漏れ電流の増大などがある。  As described above, the miniaturization of transistors has caused a problem called a short channel effect. The short channel effect is deterioration of electrical characteristics which is manifested with miniaturization of a transistor (reduction of channel length (L)), and is caused by the effect of an electric field of a drain electrode reaching a source electrode. is there. Specific examples of the short channel effect include a decrease in threshold voltage, an increase in subthreshold swing value, and an increase in leakage current.

短チャネル効果への対策の一つとして、ナノワイヤトランジスタが挙げられる(特許文献1参照。)。ナノワイヤトランジスタとは、直径数nm乃至数十nm程度の極めて細い円柱状のシリコンを活性層に用いたトランジスタである。シリコンの延伸方向と交差してゲートがシリコンを囲む構造をしており、全周囲を囲んだゲート電極によってドレイン電極の電界がソース電極まで影響することを防ぐことができる。  One of the measures against the short channel effect is a nanowire transistor (see Patent Document 1). A nanowire transistor is a transistor in which an extremely thin cylindrical silicon having a diameter of several nm to several tens nm is used for an active layer. The gate has a structure that surrounds silicon so as to intersect with the extending direction of silicon, and the gate electrode that surrounds the entire circumference can prevent the electric field of the drain electrode from affecting the source electrode.

特開2011−211127号公報JP, 2011-111127, A

しかしながら、シリコンを用いたナノワイヤトランジスタの、非導通時のリーク電流は、数μA/μm程度であり、さらにゲート電圧0Vにおけるリーク電流を低減することが求められている。  However, the leakage current of a nanowire transistor using silicon when it is non-conductive is about several μA/μm, and it is required to further reduce the leakage current at a gate voltage of 0V.

そこで、本発明の一態様は、短チャネル効果に耐性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、チャネル長の短い微細構造において、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。  Therefore, it is an object of one embodiment of the present invention to provide a transistor having resistance to a short channel effect. Another object is to provide a transistor having normally-off electrical characteristics. Another object is to provide a transistor with low leakage current when not conducting. Another object is to provide a transistor with a small subthreshold swing value. Another object is to provide a transistor having stable electric characteristics in a microstructure with a short channel length.

または、該トランジスタ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、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規なモジュールを提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。  Another object is to provide a semiconductor device including the transistor. Another object is to provide a module including the semiconductor device. Another object is to provide an electronic device including the semiconductor device or the module. Another object is to provide a novel semiconductor device. Another object is to provide a new module. Another object is to provide a new electronic device.

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

本発明の一態様は、環状に設けられた第1の導電体と、第1の導電体の環の内側を通して伸長した領域を有する酸化物半導体と、第1の導電体と、酸化物半導体との間に設けられた第1の絶縁体と、第1の導電体と、第1の絶縁体との間に設けられた第2の絶縁体と、第1の導電体の環の内側を通して設けられた第2の導電体と、を有し、第2の導電体は、第2の絶縁体中に設けられる半導体装置である。  One embodiment of the present invention includes a first conductor provided in a ring shape, an oxide semiconductor having a region extending through the inside of the ring of the first conductor, a first conductor, and an oxide semiconductor. A first insulator provided between the first conductor, a first conductor, a second insulator provided between the first insulator, and an inner side of the ring of the first conductor. And a second conductor provided therein, the second conductor being a semiconductor device provided in the second insulator.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、酸化物半導体に接して、第1の導電体を間に挟んで設けられた第3の導電体及び第4の導電体と、を有し、第3の導電体と第4の導電体の間の距離は2nm以上30nm以下であることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, a third conductor and a fourth conductor which are in contact with the oxide semiconductor and are sandwiched with the first conductor are provided. The distance between the third conductor and the fourth conductor is 2 nm or more and 30 nm or less, which is a semiconductor device.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、酸化物半導体の伸長方向に略垂直な面における断面形状は、略円形状であることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the oxide semiconductor has a substantially circular cross-sectional shape in a plane substantially perpendicular to the extending direction.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、酸化物半導体の伸長方向に略垂直な面における断面形状は、略多角形状であることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the oxide semiconductor has a cross-sectional shape in a plane substantially perpendicular to the extending direction which is a substantially polygonal shape.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、半導体装置は、基板上に設けられており、基板の上面は酸化物半導体の伸長方向に略平行であることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the semiconductor device is provided over a substrate, and an upper surface of the substrate is substantially parallel to an extension direction of the oxide semiconductor. ..

また、本発明の一態様は、上記の発明において、半導体装置は、基板上に設けられており、基板の上面は酸化物半導体の伸長方向に略垂直であることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the semiconductor device is provided over a substrate, and an upper surface of the substrate is substantially perpendicular to an extension direction of the oxide semiconductor. ..

また、本発明の一態様は、上記の発明において、第1の絶縁体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)及び亜鉛のうち少なくとも一以上を有する半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the first insulator is at least one of indium, an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf) and zinc. A semiconductor device having the above.

また、本発明の一態様は、基板上に、第1の方向に伸長して設けられた第1の導電体と、第1の導電体上に設けられた第1の絶縁体と、第1の絶縁体上に設けられた、開口を有する第2の絶縁体と、第2の絶縁体に形成された開口の中に、第1の方向に略垂直である第2の方向に伸長して設けられた第2の導電体と第2の絶縁体及び第2の導電体上に設けられた第3の絶縁体と、第3の絶縁体上に設けられた第4の絶縁体と、第3の絶縁体上に、第4の絶縁体を間に挟んで設けられた第3の導電体及び第4の導電体と、第4の絶縁体、第3の導電体及び第4の導電体の上面に接して、第2の方向に伸長して設けられた酸化物半導体と、酸化物半導体の上面及び側面と、第3の導電体の側面に接して、第5の絶縁体を間に挟んで第6の導電体と対向して設けられた第5の導電体と、酸化物半導体の上面及び側面と、第4の導電体の側面に接して、第5の絶縁体を間に挟んで第5導電体と対向して設けられた第6の導電体と、第5の導電体及び第6の導電体上に設けられ、第5の導電体と第6の導電体の間に開口を有する第6の絶縁体と、酸化物半導体の上面、第5の導電体及び第6の導電体の側面、第6の絶縁体の側面と接して設けられた第5の絶縁体と、第5の絶縁体の上面に接して設けられた第7の絶縁体と、第7の絶縁体の上面に接して設けられた第7の導電体と、を有し、第1の方向に略垂直な面の断面において、第4の絶縁体と第5の絶縁体は、酸化物半導体を囲むように設けられ、第3の絶縁体と第7の絶縁体は、第4の絶縁体、酸化物半導体及び第5の絶縁体を囲むように設けられ、第1の導電体と第7の導電体は、第1乃至第3の絶縁体及び第7の絶縁体を囲むように設けられることを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, a first conductor provided over the substrate in a first direction, a first insulator provided over the first conductor, and a first insulator A second insulator having an opening provided on the second insulator and an opening formed in the second insulator and extending in a second direction substantially perpendicular to the first direction. A second conductor provided, a second insulator, a third insulator provided on the second conductor, a fourth insulator provided on the third insulator, A third conductor and a fourth conductor provided on the third insulator with the fourth insulator interposed therebetween, and a fourth insulator, a third conductor, and a fourth conductor. The oxide semiconductor provided in contact with the upper surface of the oxide semiconductor and extending in the second direction, the upper surface and the side surface of the oxide semiconductor, and the side surface of the third conductor with the fifth insulator interposed therebetween. The fifth insulator is provided so as to face the sixth conductor, and the top surface and the side surface of the oxide semiconductor are in contact with the side surface of the fourth conductor, and the fifth insulator is interposed therebetween. And a sixth conductor provided to face the fifth conductor, and provided on the fifth conductor and the sixth conductor, and an opening is provided between the fifth conductor and the sixth conductor. And a fifth insulator provided in contact with the upper surface of the oxide semiconductor, the fifth conductor and the side surface of the sixth conductor, the fifth insulator provided in contact with the side surface of the sixth insulator, No. 5, which has a seventh insulator provided in contact with the upper surface of the insulator, and a seventh conductor provided in contact with the upper surface of the seventh insulator, and is substantially perpendicular to the first direction. The fourth insulator and the fifth insulator are provided so as to surround the oxide semiconductor, and the third insulator and the seventh insulator are the fourth insulator and the oxide. It is provided so as to surround the semiconductor and the fifth insulator, and the first conductor and the seventh conductor are provided so as to surround the first to third insulators and the seventh insulator. And a semiconductor device.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、第4の絶縁体及び第5の絶縁体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)及び亜鉛のうち少なくとも一以上を有する半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the fourth insulator and the fifth insulator are indium and an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf). And a semiconductor device containing at least one or more of zinc.

また、本発明の一態様は、上記の発明において、酸化物半導体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)、亜鉛および酸素を有することを特徴とする半導体装置である。  Further, according to one embodiment of the present invention, in the above invention, the oxide semiconductor contains indium, an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf), zinc, and oxygen. A characteristic semiconductor device.

短チャネル効果に耐性を有するトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、チャネル長の短い微細構造において、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。  A transistor having resistance to a short channel effect can be provided. Alternatively, a transistor having normally-off electrical characteristics can be provided. Alternatively, it is possible to provide a transistor with a small leak current when it is not conducting. Alternatively, a transistor with a small subthreshold swing value can be provided. Alternatively, a transistor having stable electric characteristics in a microstructure with a short channel length can be provided.

または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。または、新規なモジュールを提供することができる。または、新規な電子機器を提供することができる。  Alternatively, a semiconductor device including the transistor can be provided. Alternatively, a module including the semiconductor device can be provided. Alternatively, an electronic device including the semiconductor device or the module can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, a new module can be provided. Alternatively, a new electronic device can be provided.

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

本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。3A and 3B are a top view and a cross-sectional view illustrating a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。7A and 7B are cross-sectional views illustrating a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。7A and 7B are cross-sectional views illustrating a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。7A and 7B are cross-sectional views illustrating a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。6A to 6C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタに係るバンド図。FIG. 7 is a band diagram of a transistor according to one embodiment of the present invention. 数値計算に用いたトランジスタのモデルを示す模式図。The schematic diagram which shows the model of the transistor used for numerical calculation. 数値計算で求めたポテンシャルを表す図。The figure showing the potential calculated by numerical calculation. CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。6A to 6C each illustrate a structural analysis of a CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor by XRD, and a selected area electron diffraction pattern of the CAAC-OS. CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。A cross-sectional TEM image of the CAAC-OS, a planar TEM image, and an image analysis image thereof. nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS, and the cross-sectional TEM image of nc-OS. a−like OSの断面TEM像。Cross-sectional TEM image of a-like OS. In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a change in a crystal part of an In—Ga—Zn oxide by electron irradiation. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。16A and 16B are graphs and circuit diagrams each illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。FIG. 16 is a perspective view illustrating an electronic device according to one embodiment of the present invention. 本実施例に用いたトランジスタのモデルを示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a model of a transistor used in this example. 本実施例の計算結果を示すグラフ。The graph which shows the calculation result of a present Example.

本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。ただし、本発明は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。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際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。  Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details thereof can be variously modified. The present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. In describing the structure of the invention with reference to the drawings, the same reference numerals are used in different drawings. In addition, when referring to the same thing, the hatch pattern may be the same, and there is a case where no reference numeral is given in particular.

以下の実施の形態に示す構成は、実施の形態に示す他の構成に対して適宜、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行って、本発明の一態様とすることができる。  The structures described in the following embodiments can be applied to, combined with, or replaced with the other structures described in the embodiments as appropriate to form one embodiment of the present invention.

なお、図において、大きさ、膜(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。  Note that the size, the thickness of films (layers), or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity.

なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。  Note that in this specification, the notation “film” and the notation “layer” can be interchanged with each other.

また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。一般的に、電位(電圧)は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電位が0Vであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。  Further, the voltage often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential). Therefore, the voltage can be restated as the potential. Generally, the potential (voltage) is relative and is determined by the relative magnitude from the reference potential. Therefore, even if it is described as "ground potential" or the like, the potential is not always 0V. For example, the lowest potential in the circuit may be the “ground potential”. Alternatively, an intermediate potential in the circuit may be the “ground potential”. In that case, a positive potential and a negative potential are defined with reference to the potential.

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。  Note that the ordinal numbers given as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of stacking. Therefore, for example, “first” can be replaced with “second” or “third” as appropriate. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may be different from the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。  Note that even when the term “semiconductor” is used, it may have characteristics as an “insulator” if the conductivity is sufficiently low, for example. In addition, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous and may not be strictly distinguished. Therefore, the “semiconductor” described in this specification can be called the “insulator” in some cases. Similarly, the “insulator” in this specification can be referred to as a “semiconductor” in some cases.

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。  Further, even when described as “semiconductor”, for example, when the conductivity is sufficiently high, it may have characteristics as a “conductor”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “conductor” is ambiguous, and in some cases cannot be strictly distinguished. Therefore, the “semiconductor” described in this specification can be referred to as a “conductor” in some cases. Similarly, the “conductor” described in this specification can be referred to as a “semiconductor” in some cases.

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。  Note that the impurities of the semiconductor refer to, for example, components other than the main constituents of the semiconductor. For example, an element whose concentration is less than 0.1 atomic% is an impurity. Due to the inclusion of impurities, for example, DOS (Density of State) may be formed in the semiconductor, carrier mobility may be reduced, and crystallinity may be reduced. When the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element, a Group 2 element, a Group 14 element, a Group 15 element, and a transition metal other than the main component. In particular, for example, hydrogen (also included in water), lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed by the mixture of impurities such as hydrogen. When the semiconductor is a silicon layer, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element other than oxygen and hydrogen, a Group 2 element, a Group 13 element, and a Group 15 element.

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)とゲート電極とが互いに重なる領域、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 is, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion in the semiconductor in which a current flows) and a gate electrode overlap with each other, or a region where a channel is formed, in a top view of the transistor. In, the distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode). Note that in one transistor, the channel length does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be set to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one value, the maximum value, the minimum value, or the 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)とゲート電極とが互いに重なる領域、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 a semiconductor in which a current flows when a transistor is in an on state) and a gate electrode overlap with each other, or a region where a channel is formed, a source and a drain face each other. It means the length of the part. Note that in one transistor, the channel width does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be set to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of the values, the maximum value, the minimum value, or the 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、半導体の側面及び下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。  Note that depending on the structure of the transistor, a channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and a channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, an apparent channel width). May be different from. For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width becomes larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the effect thereof may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of channel regions formed on the side surface and the bottom surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。  In the present specification, “parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10° or more and 10° or less. Therefore, a case of -5° or more and 5° or less is also included. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30° or more and 30° or less. Further, “vertical” means a state in which 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. Further, “substantially vertical” 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。  In this specification, trigonal and rhombohedral crystal systems are included in a hexagonal crystal system.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図1乃至図7を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<トランジスタの構成>
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例としてトランジスタの構成について説明する。
<Transistor configuration>
The structure of a transistor is described below as an example of the semiconductor device of one embodiment of the present invention.

図1(A)乃至図1(C)を用いてトランジスタ10の構成について説明する。図1(A)はトランジスタ10の上面図である。図1(B)は図1(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図1(C)は図1(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。なお、一点鎖線A1−A2で示す領域では、トランジスタ10のチャネル長方向における構造を示しており、一点鎖線A3−A4で示す領域では、一点鎖線A1−A2に垂直な方向における構造を示している。なお、トランジスタのチャネル長方向とは、ソース(ソース領域またはソース電極)及びドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)間において、キャリアが移動する方向を意味する。また、図1(A)、図1(B)において、図面が煩雑になることを避けるため、絶縁体112など一部の構造を省略して表現している。  The structure of the transistor 10 will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a top view of the transistor 10. 1B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A3-A4 in FIG. Note that a region shown by a dashed-dotted line A1-A2 shows a structure in the channel length direction of the transistor 10, and a region shown by a dashed-dotted line A3-A4 shows a structure in a direction perpendicular to the dashed-dotted line A1-A2. .. Note that the channel length direction of a transistor means a direction in which carriers move between a source (a source region or a source electrode) and a drain (a drain region or a drain electrode). Further, in FIGS. 1A and 1B, some structures such as the insulator 112 are omitted in order to avoid complexity of the drawings.

トランジスタ10は、環状に設けられた導電体114と、導電体114の環の内側を通して伸長した領域を有する半導体106bと、導電体114と半導体106bとの間に設けられた絶縁体106aと、導電体114と絶縁体106aとの間に設けられた絶縁体112と、導電体114の環の内側を通して設けられた導電体102と、を有する。ここで、導電体102は絶縁体112中に設けられている。また、半導体106bに接して、導電体114を間に挟んで対向して設けられた導電体108a及び導電体108bと、を有する。  The transistor 10 includes a conductor 114 provided in a ring shape, a semiconductor 106b having a region extending through the inside of the ring of the conductor 114, an insulator 106a provided between the conductor 114 and the semiconductor 106b, and a conductive material. The insulator 112 is provided between the body 114 and the insulator 106a, and the conductor 102 is provided inside the ring of the conductor 114. Here, the conductor 102 is provided in the insulator 112. Further, a conductor 108a and a conductor 108b which are in contact with the semiconductor 106b and face each other with the conductor 114 interposed therebetween are provided.

ここで、絶縁体106a及び絶縁体112は、絶縁膜又は絶縁層ということもできる。また、導電体102、導電体108a、導電体108b及び導電体114は、導電膜又は導電層ということもできる。また、半導体106bは、半導体膜又は半導体層ということもできる。  Here, the insulator 106a and the insulator 112 can also be referred to as an insulating film or an insulating layer. Further, the conductor 102, the conductor 108a, the conductor 108b, and the conductor 114 can be referred to as a conductive film or a conductive layer. The semiconductor 106b can also be referred to as a semiconductor film or a semiconductor layer.

なお、詳細は後述するが、絶縁体106aは、単独で用いる場合、導電体、半導体または絶縁体として機能させることができる物質を用いる場合がある。しかしながら、半導体106bと接してトランジスタを形成する場合、電子は半導体106b、および半導体106bと絶縁体106aの界面近傍を流れ、絶縁体106aは当該トランジスタのチャネルとして機能しない領域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体106aを導電体及び半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。  Although details will be described later, when the insulator 106a is used alone, a substance that can function as a conductor, a semiconductor, or an insulator may be used in some cases. However, when a transistor is formed in contact with the semiconductor 106b, electrons flow in the vicinity of the interface between the semiconductor 106b and the insulator 106a, and the insulator 106a has a region which does not function as a channel of the transistor. Therefore, in this specification and the like, the insulator 106a is not described as a conductor or a semiconductor but is described as an insulator.

トランジスタ10において、半導体106bは活性層として機能し、導電体114はゲート電極として機能し、絶縁体112はゲート絶縁膜として機能し、導電体108aと導電体108bはソース電極またはドレイン電極として機能する。  In the transistor 10, the semiconductor 106b functions as an active layer, the conductor 114 functions as a gate electrode, the insulator 112 functions as a gate insulating film, and the conductors 108a and 108b function as a source electrode or a drain electrode. ..

半導体106bは、図1(B)に示すように、少なくとも導電体114の環の内側を通る部分において、伸長して設けられており、例えば紐状、棒状又は柱状などの形状をとる。また、図1(C)に示すように、半導体106bの伸長方向に略垂直な断面における断面形状は略円形状であることが好ましい。図1(C)における半導体106bの幅(半導体106bが円形なら直径と呼ぶこともできる)は、数nm乃至数十nm程度であり、例えば、1nm以上50nm以下、好ましくは2nm以上30nm以下とすればよい。なお、本明細書等において、略円形とは、真円だけでなく、楕円などの真円から外れた円形も含むものとする。  As shown in FIG. 1B, the semiconductor 106b is provided so as to extend at least in a portion passing inside the ring of the conductor 114, and has a string shape, a rod shape, a column shape, or the like, for example. Further, as shown in FIG. 1C, it is preferable that the cross section of the cross section of the semiconductor 106b substantially perpendicular to the extending direction be substantially circular. The width of the semiconductor 106b in FIG. 1C (which can also be referred to as a diameter if the semiconductor 106b is circular) is about several nm to several tens nm, for example, 1 nm to 50 nm, preferably 2 nm to 30 nm. Good. Note that in this specification and the like, the term “approximately circular” includes not only a perfect circle but also a circle deviating from a perfect circle such as an ellipse.

このように、半導体106bは幅数nm乃至数十nm程度の細長いワイヤー状の構造体なので、ナノワイヤと呼ぶことができる。また、図1(A)乃至(C)に示すように、絶縁体106a、導電体108a、導電体108b、絶縁体112、導電体102及び導電体114を含めても細長いワイヤー状の構造体なので、これらを含めてナノワイヤと呼ぶこともできる。また、トランジスタ10はナノワイヤを用いたトランジスタなので、ナノワイヤトランジスタと呼ぶこともできる。  As described above, the semiconductor 106b is a long and thin wire-shaped structure having a width of several nm to several tens of nm and can be called a nanowire. In addition, as shown in FIGS. 1A to 1C, the insulator 106a, the conductor 108a, the conductor 108b, the insulator 112, the conductor 102, and the conductor 114 are long and thin wire-shaped structures. , And these can also be called nanowires. Further, since the transistor 10 is a transistor using nanowires, it can be called a nanowire transistor.

絶縁体106aは、図1(B)に示すように、半導体106bと導電体114が重なる領域の少なくとも一部において、半導体106bに接して設けられる。また、図1(C)に示すように、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面において、絶縁体106aは半導体106bに接して同心円状に設けられる。  As illustrated in FIG. 1B, the insulator 106a is provided in contact with the semiconductor 106b in at least part of a region where the semiconductor 106b and the conductor 114 overlap with each other. In addition, as illustrated in FIG. 1C, the insulator 106a is provided concentrically in contact with the semiconductor 106b in a cross section which is substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b.

導電体108a及び導電体108bは、図1(B)に示すように、側面が絶縁体106aと接して、互いに対向して設けられることが好ましい。また、図示していないが、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面において、導電体108a及び導電体108bは半導体106bを包み込むように設けられることが好ましい。  As shown in FIG. 1B, the conductors 108a and 108b are preferably provided so that their side surfaces are in contact with the insulator 106a and face each other. Although not shown, the conductor 108a and the conductor 108b are preferably provided so as to enclose the semiconductor 106b in a cross section substantially perpendicular to the extending direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b.

また、図1(B)に示すように、トランジスタ10のチャネル長Lは、導電体108aと導電体108bの距離となっている。導電体108aと導電体108bの距離、すなわちトランジスタ10のチャネル長Lは、数nm乃至数十nm程度とすればよく、例えば、2nm以上30nm以下とすることが好ましい。  In addition, as illustrated in FIG. 1B, the channel length L of the transistor 10 is the distance between the conductor 108a and the conductor 108b. The distance between the conductor 108a and the conductor 108b, that is, the channel length L of the transistor 10 may be several nm to several tens nm, for example, preferably 2 nm or more and 30 nm or less.

また、図1(B)に示すように、導電体108a及び導電体108bの側面端部がテーパー形状を有することが好ましい。具体的には導電体108a及び導電体108bの側面端部の傾斜角θを30°以上90°未満、好ましくは45°以上80°未満、より好ましくは45°以上60°未満とする。このように、導電体108a及び導電体108bの側面端部をテーパー形状とすることで、より導電体108aと導電体108bの距離を短くすることができ、トランジスタ10のチャネル長Lを短くすることができる。  Further, as shown in FIG. 1B, it is preferable that side surface end portions of the conductors 108a and 108b have tapered shapes. Specifically, the inclination angle θ of the side surface end portions of the conductors 108a and 108b is 30° or more and less than 90°, preferably 45° or more and less than 80°, and more preferably 45° or more and less than 60°. In this manner, by forming the side surface end portions of the conductors 108a and 108b into tapered shapes, the distance between the conductors 108a and 108b can be further shortened and the channel length L of the transistor 10 can be shortened. You can

導電体114は、図1(B)(C)に示すように、半導体106b、絶縁体106a及び導電体102の少なくとも一部を囲むように環状に設けられている。なお、本明細書等において、環状とは、輪環だけでなく、多角環などの形状も含むものとする。または、導電体114は半導体106b、絶縁体106a及び導電体102の少なくとも一部の周囲を囲むことができればよい。例えば、導電体114が閉路状の構造を含む構造とすればよい。ここで、導電体114は、半導体106bの導電体108aと導電体108bに挟まれた領域(半導体106bのチャネル形成領域と呼ぶこともできる。)の少なくとも一部と重なるように形成されることが好ましい。  As shown in FIGS. 1B and 1C, the conductor 114 is provided in a ring shape so as to surround at least part of the semiconductor 106b, the insulator 106a, and the conductor 102. In this specification and the like, the term “ring” includes not only a ring shape but also a polygonal shape. Alternatively, the conductor 114 may surround at least part of the semiconductor 106b, the insulator 106a, and the conductor 102. For example, the conductor 114 may have a structure including a closed circuit structure. Here, the conductor 114 is formed so as to overlap with at least part of a region between the conductor 108a and the conductor 108b of the semiconductor 106b (also referred to as a channel formation region of the semiconductor 106b). preferable.

絶縁体112は、絶縁体106aと導電体114の間を埋めるように形成されることが好ましい。また、絶縁体112によって、半導体106b、導電体102及び導電体114がそれぞれ絶縁されていることが好ましい。このため、絶縁体112を複数の絶縁体を組み合わせて形成してもよい。例えば、絶縁体106aと導電体102の間に形成された絶縁体と、導電体102と導電体114の間に形成された絶縁体と、を組み合わせて絶縁体112としてもよい。  The insulator 112 is preferably formed so as to fill a space between the insulator 106a and the conductor 114. In addition, it is preferable that the semiconductor 112 b, the conductor 102, and the conductor 114 be insulated by the insulator 112. Therefore, the insulator 112 may be formed by combining a plurality of insulators. For example, the insulator 112 may be a combination of an insulator formed between the insulator 106a and the conductor 102 and an insulator formed between the conductor 102 and the conductor 114.

導電体102は、導電体114の環の内側を通して設けられており、絶縁体112を介して絶縁体106aと導電体114との間に形成されている。また、図1(C)に示すように、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面において、導電体102の幅は、例えば半導体106bの幅と同程度にすればよい。ただし、導電体102の幅はこれに限られず、適宜設定することができる。また、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面において、導電体102の形状は、半導体106bと同心円状の弧を有する形状としてもよい。ただし、導電体102の形状はこれに限られず、適宜設定することができる。  The conductor 102 is provided through the inside of the ring of the conductor 114, and is formed between the insulator 106 a and the conductor 114 with the insulator 112 interposed therebetween. In addition, as illustrated in FIG. 1C, in a cross section which is substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b, the width of the conductor 102 may be approximately equal to the width of the semiconductor 106b, for example. However, the width of the conductor 102 is not limited to this and can be set as appropriate. In addition, in a cross section substantially perpendicular to the extending direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b, the shape of the conductor 102 may be a shape having a concentric arc with the semiconductor 106b. However, the shape of the conductor 102 is not limited to this, and can be set as appropriate.

トランジスタ10は基板上に設けられるが、基板の上面に対して半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)が略平行になるようにトランジスタ10を形成してもよい。また、基板の上面に対して半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)が略垂直になるようにトランジスタ10を形成してもよい。  Although the transistor 10 is provided over the substrate, the transistor 10 may be formed so that the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is substantially parallel to the upper surface of the substrate. Further, the transistor 10 may be formed so that the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is substantially perpendicular to the upper surface of the substrate.

<半導体>
以下、半導体106bの詳細な構成について説明する。
<Semiconductor>
Hereinafter, a detailed configuration of the semiconductor 106b will be described.

なお、本項目においては、半導体106bとともに絶縁体106aの詳細な構成についても説明する。  In this item, the detailed structure of the insulator 106a as well as the semiconductor 106b will be described.

半導体106bは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体106bは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体106bは、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHfを表すとする。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、半導体106b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。  The semiconductor 106b is, for example, an oxide semiconductor containing indium. The semiconductor 106b has a high carrier mobility (electron mobility) when it contains indium, for example. Further, the semiconductor 106b preferably contains the element M. The element M preferably represents Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn or Hf. However, in some cases, a combination of the above-mentioned elements may be used as the element M. The element M is, for example, an element having a high binding energy with oxygen. For example, it is an element having a binding energy with oxygen higher than that of indium. Alternatively, the element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor, for example. Further, the semiconductor 106b preferably contains zinc. The oxide semiconductor may be easily crystallized if it contains zinc.

ただし、半導体106bは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体106bは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。  However, the semiconductor 106b is not limited to an oxide semiconductor containing indium. The semiconductor 106b may be, for example, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing gallium, an oxide semiconductor containing tin, which does not contain indium, such as zinc tin oxide or gallium tin oxide.

例えば、絶縁体106aは、半導体106b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半導体である。半導体106b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106aが構成されるため、絶縁体106aと半導体106bとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。  For example, the insulator 106a is an oxide semiconductor including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor 106b. Since the insulator 106a is composed of one or more elements other than oxygen which form the semiconductor 106b, or two or more elements, a defect level is unlikely to be formed at the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b.

絶縁体106a及び半導体106bは、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、絶縁体106aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。また、半導体106bがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。ただし、絶縁体106aがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、絶縁体106aが酸化ガリウムであっても構わない。なお、絶縁体106a及び半導体106bに含まれる各元素の原子数が、簡単な整数比にならなくても構わない。  The insulator 106a and the semiconductor 106b preferably contain at least indium. Note that when the insulator 106a is an In-M-Zn oxide, In is less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, more preferably 25 atomic% when In and M are 100 atomic%. And M is higher than 75 atomic %. In the case where the semiconductor 106b is an In-M-Zn oxide, In is higher than 25 atomic% and M is less than 75 atomic%, more preferably In is higher than 34 atomic% when the sum of In and M is 100 atomic%. It is high and M is less than 66 atomic %. However, in some cases, the insulator 106a may not contain indium. For example, the insulator 106a may be gallium oxide. Note that the number of atoms of each element included in the insulator 106a and the semiconductor 106b does not have to be a simple integer ratio.

例えば、スパッタリング法を用いて成膜する場合、絶縁体106aに用いるターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:2:4、In:M:Zn=1:3:2、In:M:Zn=1:3:4、In:M:Zn=1:3:6、In:M:Zn=1:3:8、In:M:Zn=1:4:3、In:M:Zn=1:4:4、In:M:Zn=1:4:5、In:M:Zn=1:4:6、In:M:Zn=1:6:3、In:M:Zn=1:6:4、In:M:Zn=1:6:5、In:M:Zn=1:6:6、In:M:Zn=1:6:7、In:M:Zn=1:6:8、In:M:Zn=1:6:9等がある。  For example, when a film is formed by a sputtering method, In:M:Zn=1:2:4 and In:M:Zn=1 as typical examples of the atomic ratio of the metal elements of the target used for the insulator 106a. :3:2, In:M:Zn=1:3:4, In:M:Zn=1:3:6, In:M:Zn=1:3:8, In:M:Zn=1:4. :3, In:M:Zn=1:4:4, In:M:Zn=1:4:5, In:M:Zn=1:4:6, In:M:Zn=1:6:3. , In:M:Zn=1:6:4, In:M:Zn=1:6:5, In:M:Zn=1:6:6, In:M:Zn=1:6:7, In :M:Zn=1:6:8 and In:M:Zn=1:6:9.

また、例えば、スパッタリング法を用いて成膜する場合、半導体106bに用いるターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:1.5、In:M:Zn=2:1:2.3、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1等がある。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=4:2:4.1を用いる場合、成膜される半導体106bの原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。  In addition, for example, when a film is formed by a sputtering method, as a typical example of the atomic ratio of the metal element of the target used for the semiconductor 106b, In:M:Zn=1:1:1 and In:M:Zn= 1:1:1.2, In:M:Zn=2:1:1.5, In:M:Zn=2:1:2.3, In:M:Zn=2:1:3, In: There are M:Zn=3:1:2, In:M:Zn=4:2:4.1 and the like. In particular, when the atomic ratio In:Ga:Zn=4:2:4.1 is used as the sputtering target, the atomic ratio of the semiconductor 106b to be formed is In:Ga:Zn=4:2:3. It may be in the vicinity.

半導体106b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106b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2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。ここで、絶縁体106aのエネルギーギャップは、半導体106bのエネルギーギャップより大きい。  For the semiconductor 106b, for example, an oxide with a wide energy gap is used. The energy gap of the semiconductor 106b is, for example, 2.5 eV or more and 4.2 eV or less, preferably 2.8 eV or more and 3.8 eV or less, and more preferably 3 eV or more and 3.5 eV or less. Here, the energy gap of the insulator 106a is larger than the energy gap of the semiconductor 106b.

半導体106bは、絶縁体106aよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体106bとして、絶縁体106a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。言い換えると、絶縁体106aの伝導帯下端のエネルギー準位は、半導体106bの伝導帯下端のエネルギー準位より真空準位に近い。  For the semiconductor 106b, an oxide having an electron affinity higher than that of the insulator 106a is used. For example, as the semiconductor 106b, an oxide having an electron affinity higher than that of the insulator 106a by 0.07 eV to 1.3 eV, preferably 0.1 eV to 0.7 eV, and more preferably 0.15 eV to 0.4 eV is used. .. The electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band. In other words, the energy level at the lower end of the conduction band of the insulator 106a is closer to the vacuum level than the energy level at the lower end of the conduction band of the semiconductor 106b.

このとき、ゲート電圧を印加すると、絶縁体106a及び半導体106bのうち、電子親和力の大きい半導体106bにチャネルが形成される。なお、高いゲート電圧を印加すると、絶縁体106aの半導体106bとの界面近傍においても電流が流れる場合がある。  At this time, when a gate voltage is applied, a channel is formed in the semiconductor 106b having a high electron affinity among the insulator 106a and the semiconductor 106b. Note that when a high gate voltage is applied, current may flow even in the vicinity of the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b.

上記の通り、絶縁体106aは、単独で用いる場合、導電体、半導体または絶縁体として機能させることができる物質からなる。しかしながら、半導体106bと積層させてトランジスタを形成する場合、電子は半導体106b、または半導体106bと絶縁体106aの界面近傍を流れ、絶縁体106aは当該トランジスタのチャネルとして機能しない領域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体106aを半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。なお、絶縁体106aを絶縁体と記載するのは、あくまで半導体106bと比較してトランジスタの機能上絶縁体に近い機能を有するためなので、絶縁体106aとして、半導体106bに用いることができる物質を用いる場合もある。  As described above, the insulator 106a is made of a substance that can function as a conductor, a semiconductor, or an insulator when used alone. However, when a transistor is formed by stacking with the semiconductor 106b, electrons flow near the interface between the semiconductor 106b or the semiconductor 106b and the insulator 106a, and the insulator 106a has a region which does not function as a channel of the transistor. Therefore, in this specification and the like, the insulator 106a is not described as a semiconductor but is described as an insulator. Note that the insulator 106a is referred to as an insulator because it has a function similar to that of an insulator in function of a transistor as compared with the semiconductor 106b, and thus a substance which can be used for the semiconductor 106b is used as the insulator 106a. In some cases.

ここで、絶縁体106aと半導体106bとの間には、絶縁体106aと半導体106bとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、絶縁体106aと半導体106b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。)バンド図となる(図8参照。)。なお、絶縁体106aと半導体106bは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。  Here, a mixed region of the insulator 106a and the semiconductor 106b may be provided between the insulator 106a and the semiconductor 106b. The mixed region has a low defect level density. Therefore, in the vicinity of the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b, a band diagram in which energy continuously changes (also referred to as continuous junction) is obtained (see FIG. 8). Note that the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b may not be clearly discriminated in some cases.

このとき、電子は、絶縁体106a中ではなく、半導体106b中を主として移動する。上述したように、絶縁体106aと半導体106bとの界面における欠陥準位密度を低くすることによって、半導体106b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 mainly move in the semiconductor 106b, not in the insulator 106a. As described above, by lowering the density of defect states at the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b, electron movement in the semiconductor 106b is less likely to be hindered, and the on-state current of the transistor can be increased. ..

本実施の形態に示す絶縁体106a及び半導体106b、特に半導体106bは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い(酸素欠損の少ない)酸化物半導体であり、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶことができる。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、該酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧が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は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。さらに、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は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅Wが1×10μmでチャネル長Lが10μmの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。The insulator 106a and the semiconductor 106b described in this embodiment, particularly the semiconductor 106b are oxide semiconductors with low impurity concentration and low density of defect states (low oxygen deficiency), and have high purity intrinsic or substantially high purity. It can be called an intrinsic oxide semiconductor. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor has few carrier generation sources and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the oxide semiconductor rarely has negative threshold voltage (is rarely normally on). Further, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor has a low density of defect states and thus has a low density of trap states in some cases. Further, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor has an extremely small off-state current, has a channel width W of 1×10 6 μm, and has a channel length L of 10 μm, even if it is an element. When the voltage between the drain electrodes (drain voltage) is in the range of 1 V to 10 V, it is possible to obtain the characteristic that the off current is less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1×10 −13 A or less.

したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとすることができる。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。  Therefore, a transistor in which a channel region is formed in the above-described highly-purified intrinsic or substantially highly-purified intrinsic oxide semiconductor can be a highly reliable transistor with less variation in electric characteristics. Note that the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear and may behave like fixed charge. Therefore, electric characteristics of a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor with a high trap level density might be unstable. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, and the like.

絶縁体106a及び半導体106bに含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子(または酸素が脱離した部分)に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。特に酸素欠損にトラップされた水素は、半導体のバンド構造に対して浅いドナー準位を形成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、絶縁体106a及び半導体106bは水素ができる限り低減されていることが好ましい。具体的には、絶縁体106a及び半導体106bにおいて、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、5×1018atoms/cm以下、好ましくは1×1018atoms/cm以下、より好ましくは5×1017atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以下とする。Hydrogen contained in the insulator 106a and the semiconductor 106b reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, and also forms oxygen vacancies in a lattice from which oxygen is released (or a portion from which oxygen is released). When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons that are carriers may be generated. Further, part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. In particular, hydrogen trapped in oxygen vacancies may form a shallow donor level with respect to the semiconductor band structure. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing hydrogen is likely to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that the insulator 106a and the semiconductor 106b have hydrogen as low as possible. Specifically, in the insulator 106 a and the semiconductor 106 b, the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is 2×10 20 atoms/cm 3 or less, preferably 5×10 19 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 19 atoms/cm 3 or less, 5×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 5×10 17 atoms/cm 3 or less. cm 3 or less, and more preferably 1×10 16 atoms/cm 3 or less.

絶縁体106a及び半導体106bにおいて、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、絶縁体106a及び半導体106bにおいて酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、絶縁体106a及び半導体106bにおけるシリコンや炭素の濃度と絶縁体106a及び半導体106bとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度(SIMS分析により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。If silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, is included in the insulator 106a and the semiconductor 106b, oxygen vacancies increase in the insulator 106a and the semiconductor 106b, so that the insulator 106a and the semiconductor 106b become n-type. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the insulator 106a and the semiconductor 106b and the concentration of silicon or carbon near the interface between the insulator 106a and the semiconductor 106b (the concentration obtained by SIMS analysis) are 2×10 18 atoms/cm 3 Hereafter, it is preferably 2×10 17 atoms/cm 3 or less.

また、絶縁体106a及び半導体106bにおいて、SIMS分析により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、絶縁体106a及び半導体106bのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。In the insulator 106a and the semiconductor 106b, the concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal obtained by SIMS analysis is 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 16 atoms/cm 3 or less. Alkali metal and alkaline earth metal may generate carriers when combined with an oxide semiconductor, which might increase off-state current of the transistor. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or the alkaline earth metal in the insulator 106a and the semiconductor 106b.

また、絶縁体106a及び半導体106bに窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている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特性となりやすい。従って、半導体106bにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、SIMS分析により得られる窒素濃度は、5×1018atoms/cm以下にすることが好ましい。When nitrogen is contained in the insulator 106a and the semiconductor 106b, electrons that are carriers are generated, carrier density is increased, and n-type is easily generated. As a result, a transistor including an oxide semiconductor film containing nitrogen is likely to have normally-on characteristics. Therefore, in the semiconductor 106b, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration obtained by SIMS analysis is preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less.

また、半導体106bなどの導電体108a又は導電体108bと接する界面近傍に低抵抗領域が形成されることがある。低抵抗領域は、主に、半導体106bが接した導電体108a又は導電体108bに酸素を引き抜かれる、または導電体108a又は導電体108bに含まれる導電材料が半導体106b中の元素と結合することにより形成される。このような低抵抗領域が形成されることにより、導電体108a又は導電体108bと半導体106bとの接触抵抗を低減することが可能となるのでトランジスタ10のオン電流を増大させることができる。  Further, a low resistance region may be formed in the vicinity of an interface in contact with the conductor 108a such as the semiconductor 106b or the conductor 108b. The low resistance region is mainly formed by oxygen being extracted to the conductor 108a or the conductor 108b in contact with the semiconductor 106b, or the conductive material contained in the conductor 108a or the conductor 108b is bonded to an element in the semiconductor 106b. It is formed. By forming such a low resistance region, the contact resistance between the conductor 108a or the conductor 108b and the semiconductor 106b can be reduced, so that the on-state current of the transistor 10 can be increased.

なお、上述の絶縁体106a及び半導体106bの2層構造は一例である。例えば、絶縁体106aを設けない単層構造としてもよいし、絶縁体106aまたは半導体106bとして例示した絶縁体、半導体又は導電体のいずれかをさらに有するn層構造(nは3以上の整数)としても構わない。  Note that the above-described two-layer structure of the insulator 106a and the semiconductor 106b is an example. For example, a single-layer structure in which the insulator 106a is not provided may be used, or an n-layer structure (n is an integer of 3 or more) that further includes any of the insulators, semiconductors, or conductors illustrated as the insulator 106a or the semiconductor 106b. I don't care.

なお、酸化物半導体の構造については、後述する実施の形態において詳細に説明を行う。  Note that the structure of the oxide semiconductor will be described in detail in embodiments to be described later.

<チャネル部のポテンシャルの計算>
ここで、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのモデルについて数値計算を行って、チャネル部のポテンシャル障壁の高さについて評価した結果について説明する。
<Calculation of channel potential>
Here, a result of performing numerical calculation on a model of a transistor including an oxide semiconductor film and evaluating a height of a potential barrier in a channel portion is described.

図9に数値計算に用いたトランジスタのモデルの模式図を示す。図9に示すように、数値計算に用いたモデルでは、ソース電極とドレイン電極の間に半導体膜が形成され、ソース電極、半導体膜及びドレイン電極の上にゲート絶縁膜が形成され、ゲート絶縁膜の上にゲート電極が形成される。なお、図9中の、εは半導体膜の誘電率、εOXはゲート絶縁膜の誘電率、tは半導体膜の厚さ、tOXはゲート絶縁膜の厚さである。数値計算では、εの比誘電率を15、εOXの比誘電率を4.1とし、真空の誘電率を8.854187817×10−12F/mとした。また、tを15nm、tOXを10nmとした。また、ソース電極とドレイン電極の距離(チャネル長)をLとする。FIG. 9 shows a schematic diagram of the model of the transistor used for the numerical calculation. As shown in FIG. 9, in the model used for the numerical calculation, the semiconductor film is formed between the source electrode and the drain electrode, the gate insulating film is formed on the source electrode, the semiconductor film, and the drain electrode, and the gate insulating film is formed. A gate electrode is formed on the. In FIG. 9, ε S is the dielectric constant of the semiconductor film, ε OX is the dielectric constant of the gate insulating film, t S is the thickness of the semiconductor film, and t OX is the thickness of the gate insulating film. In the numerical calculation, the relative permittivity of ε S was 15, the relative permittivity of ε OX was 4.1, and the permittivity in vacuum was 8.854187817×10 −12 F/m. Further, t S was set to 15 nm and t OX was set to 10 nm. Further, the distance (channel length) between the source electrode and the drain electrode is L.

図9に示すトランジスタについて、図中に斜線で示した、チャネル部となる半導体膜中の微小な区間x乃至x+dxにガウスの法則を適用する。ここで酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、nチャネル型の蓄積型のトランジスタであり、以下の式(1)で表される。  For the transistor shown in FIG. 9, Gauss's law is applied to the minute sections x to x+dx in the semiconductor film to be the channel portion, which are shown by hatching in the figure. Here, the transistor including an oxide semiconductor film is an n-channel storage transistor and is represented by the following formula (1).

Figure 0006698649
Figure 0006698649

ここで、φ(x)は位置xにおけるポテンシャル(表面ポテンシャル)、φ(x+dx)は位置x+dxにおけるポテンシャル(表面ポテンシャル)、Vはゲート電圧、VFBはフラット・バンド電圧、eは素電荷、Nは実効状態密度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。数値計算では、V=0V、VFB=0.4V、N=5.00×1018個/cm、T=300Kとした。Here, φ(x) is the potential (surface potential) at the position x, φ(x+dx) is the potential (surface potential) at the position x+dx, V G is the gate voltage, V FB is the flat band voltage, and e is the elementary charge, N C is the effective density of states, k B is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. In the numerical calculation, V G =0V, V FB =0.4V, N C =5.00×10 18 pieces/cm 3 , and T=300K.

また、比較対象として、nチャネル型の反転型のトランジスタを想定すると、当該トランジスタでは、以下の式(2)で表される。  Further, assuming an n-channel inversion type transistor as a comparison target, the transistor is expressed by the following equation (2).

Figure 0006698649
Figure 0006698649

ここで、Nはアクセプター密度であり、数値計算ではN=1.00×10個/cmとした。Here, N A is the acceptor density, and was set to N A =1.00×10 8 pieces/cm 3 in the numerical calculation.

以上の式(1)及び式(2)を変形するとポアソン方程式が得られる。当該ポアソン方程式を数値計算してチャネル部分のポテンシャルを解析した。蓄積型の式(1)及び反転型の式(2)それぞれにおいて、L=1μm、300nm、100nm、60nm、30nm及び10nmのモデルについて数値計算を行った。なお、ガウス・ザイデル法に従って、数値計算を行った。  The Poisson's equation is obtained by modifying the above equations (1) and (2). The Poisson equation was numerically calculated and the potential of the channel part was analyzed. Numerical calculations were performed for models of L=1 μm, 300 nm, 100 nm, 60 nm, 30 nm, and 10 nm in each of the storage type equation (1) and the inversion type equation (2). The numerical calculation was performed according to the Gauss-Seidel method.

図10(A)及び図10(B)に蓄積型のチャネル部のポテンシャル及び反転型のチャネル部のポテンシャルの数値計算の結果を示す。図10(A)及び図10(B)は、横軸にx[nm]をとり、縦軸に−eφ(x)[eV]をとる。また、図10(C)及び図10(D)に、図10(A)及び図10(B)の横軸xをLで規格化したグラフを示す。  10A and 10B show the results of numerical calculation of the potential of the storage-type channel portion and the potential of the inversion-type channel portion. 10A and 10B, the horizontal axis represents x [nm] and the vertical axis represents −eφ(x) [eV]. 10C and 10D are graphs in which the horizontal axis x in FIGS. 10A and 10B is normalized by L.

図10(A)(C)と図10(B)(D)を比較すると、L=1μm、300nm及び100nmのモデルでは、ポテンシャルがほぼ同程度である。これに対して、L=60nm、30nm及び10nmのモデルでは、蓄積型のモデルのポテンシャルが反転型のモデルのポテンシャルより大きくなっており、Lが短くなるにつれてその傾向が顕著に表れている。  Comparing FIGS. 10(A) and 10(C) with FIGS. 10(B) and 10(D), the potentials are approximately the same in the models of L=1 μm, 300 nm, and 100 nm. On the other hand, in the models of L=60 nm, 30 nm, and 10 nm, the potential of the accumulation type model is larger than the potential of the inversion type model, and the tendency becomes more remarkable as L becomes shorter.

このように、L=100nm未満のチャネル長が短いトランジスタにおいて、酸化物半導体膜を用いた蓄積型トランジスタは、シリコンなどの反転型トランジスタよりも、V=0Vでのバリア障壁が高いことが示された。よって、酸化物半導体膜を用いた蓄積型トランジスタでは、L=100nm未満のチャネル長が短い構造においても、しきい値電圧を0Vより大きくすることができる。つまり、酸化物半導体膜を用いた蓄積型トランジスタは、シリコンなどの反転型トランジスタよりも、短チャネル効果に対する耐性を有しているということができる。As described above, in a transistor having a short channel length of less than L=100 nm, a storage-type transistor including an oxide semiconductor film has a higher barrier barrier at V G =0 V than an inversion-type transistor such as silicon. Was done. Therefore, in the storage transistor including an oxide semiconductor film, the threshold voltage can be higher than 0 V even in a structure with a short channel length of less than L=100 nm. That is, it can be said that a storage transistor including an oxide semiconductor film has higher resistance to a short channel effect than an inversion transistor such as silicon.

また、上記実施の形態に示すように、OS膜中の不純物濃度を低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にことで、さらにキャリア密度を低減させることができるので、より短チャネル効果に対する耐性を強くすることができる。  Further, as shown in the above embodiment mode, the impurity concentration in the OS film is reduced to a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic, whereby the carrier density can be further reduced; thus, a shorter channel effect can be obtained. Can be more resistant to.

さらに、本実施の形態に示すように、酸化物半導体膜をゲート電極で囲む構造のトランジスタを形成することで、より短チャネル効果に耐性を有するトランジスタを形成することができる。例えば、チャネル長を2nm乃至30nm程度としても、良好なオフ電流特性を得られることが推測される。  Further, as shown in this embodiment, by forming a transistor having a structure in which an oxide semiconductor film is surrounded by a gate electrode, a transistor having resistance to a short channel effect can be formed. For example, it is presumed that good off-current characteristics can be obtained even when the channel length is about 2 nm to 30 nm.

<絶縁体、導電体>
以下に、トランジスタ10の半導体以外の各構成要素について詳細な説明を行う。
<insulator, conductor>
Hereinafter, each component of the transistor 10 other than the semiconductor will be described in detail.

導電体102は、半導体106bの導電体108aと導電体108bに挟まれる領域において、少なくとも一部が重なることが好ましい。導電体102は、トランジスタ10のバックゲートとして機能する。このような導電体102を設けることにより、トランジスタ10のしきい値電圧の制御を行うことができる。しきい値電圧の制御を行うことによって、トランジスタ10のゲート(導電体114)に印加された電圧が低い、例えば印加された電圧が0V以下のときに、トランジスタ10が導通状態となることを防ぐことができる。つまり、トランジスタ10の電気特性を、よりノーマリーオフの方向にシフトさせることが容易になる。  It is preferable that the conductor 102 at least partly overlap with each other in a region between the conductor 108a and the conductor 108b of the semiconductor 106b. The conductor 102 functions as a back gate of the transistor 10. By providing such a conductor 102, the threshold voltage of the transistor 10 can be controlled. By controlling the threshold voltage, the transistor 10 is prevented from becoming conductive when the voltage applied to the gate (the conductor 114) of the transistor 10 is low, for example, when the applied voltage is 0 V or lower. be able to. That is, it becomes easier to shift the electrical characteristics of the transistor 10 in the normally-off direction.

導電体102としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。  As the conductor 102, for example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, A conductor containing one or more kinds of tin, tantalum, and tungsten may be used in a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy or a compound, a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, a conductor containing titanium and nitrogen. Etc. may be used.

絶縁体112は、トランジスタ10において、導電体114及び導電体102に対してゲート絶縁膜として機能する。絶縁体112は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、絶縁体112としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体112としては、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、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。好ましくは、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いる。  The insulator 112 functions as a gate insulating film with respect to the conductor 114 and the conductor 102 in the transistor 10. The insulator 112 is preferably an insulator having excess oxygen. For example, the insulator 112 includes, for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum. The body may be used as a single layer or as a stack. For example, as the insulator 112, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or oxide is used. Tantalum may be used. Preferably, silicon oxide or silicon oxynitride is used.

過剰酸素を有する絶縁体112を設けることにより、絶縁体112から絶縁体106a及び半導体106bに酸素を供給することができる。当該酸素により、絶縁体106a及び半導体106bの欠陥となる酸素欠損を低減することができる。これにより、絶縁体106a及び半導体106bの欠陥準位密度を低減することができる。  By providing the insulator 112 containing excess oxygen, oxygen can be supplied from the insulator 112 to the insulator 106a and the semiconductor 106b. With the oxygen, oxygen vacancies which are defects in the insulator 106a and the semiconductor 106b can be reduced. Accordingly, the defect level density of the insulator 106a and the semiconductor 106b can be reduced.

なお、本明細書などにおいて、過剰酸素とは、例えば、化学量論的組成を超えて含まれる酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで当該過剰酸素が含まれる膜又は層から放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動することができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合や、膜や層を構成する酸素と置き換わりながら玉突き的に移動する場合などがある。  Note that in this specification and the like, excess oxygen refers to oxygen contained in excess of the stoichiometric composition, for example. Alternatively, excess oxygen means oxygen released from a film or a layer containing the excess oxygen by heating, for example. Excess oxygen can move inside a film or layer, for example. Excessive oxygen may move between atoms in the film or layer, or may move in a blunt manner while replacing oxygen forming the film or layer.

過剰酸素を有する絶縁体112は、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量が1.0×1014molecule/cm以上1.0×1016molecule/cm以下、より好ましくは、1.0×1015molecule/cm以上5.0×1015molecule/cm以下となる。The insulator 112 having excess oxygen has a desorption amount of oxygen molecules within a surface temperature range of 100° C. or higher and 700° C. or lower or 100° C. or higher and 500° C. or lower in thermal desorption spectroscopy analysis (TDS analysis). Is 1.0×10 14 molecule/cm 2 or more and 1.0×10 16 molecule/cm 2 or less, and more preferably 1.0×10 15 molecule/cm 2 or more and 5.0×10 15 molecule/cm 2 or less. Becomes

TDS分析を用いた分子の放出量の測定方法について、酸素の放出量を例として、以下に説明する。  A method for measuring the amount of released molecules using TDS analysis will be described below by taking the amount of released oxygen as an example.

測定試料をTDS分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。  The total amount of released gas in TDS analysis of the measurement sample is proportional to the integral value of the ionic strength of the released gas. Then, by comparing with the standard sample, the total amount of released gas can be calculated.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のTDS分析結果、および測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NO2)は、下に示す式で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量電荷比32で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。CHOHの質量電荷比は32であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。For example, from the TDS analysis result of a silicon substrate containing hydrogen having a predetermined density, which is a standard sample, and the TDS analysis result of a measurement sample, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the measurement sample should be calculated by the following formula. You can Here, it is assumed that all the gases detected by TDS analysis with a mass-to-charge ratio of 32 are derived from oxygen molecules. The mass to charge ratio of CH 3 OH is 32, but is not considered here as it is unlikely to be present. Oxygen molecules containing oxygen atoms having a mass number of 17 and oxygen atoms having a mass number of 18, which are isotopes of oxygen atoms, are not considered because their abundance ratios in nature are extremely small.

O2=NH2/SH2×SO2×αN O2 =N H2 /S H2 ×S O2 ×α

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。 NH2 is a value obtained by converting the hydrogen molecules desorbed from the standard sample into densities. S H2 is an integrated value of ion intensity when the standard sample is subjected to TDS analysis. Here, the reference value of the standard sample is N H2 /S H2 . S O2 is an integrated value of ion intensity when the measurement sample is subjected to TDS analysis. α is a coefficient that affects the ionic strength in TDS analysis. For details of the above equation, reference is made to JP-A-6-275697. The amount of released oxygen is measured by using a thermal desorption spectroscopy apparatus EMD-WA1000S/W manufactured by Electronic Science Co., Ltd. and using a silicon substrate containing a certain amount of hydrogen atoms as a standard sample.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。  Further, in TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Since the above-mentioned α includes the ionization rate of oxygen molecules, it is possible to estimate the release amount of oxygen atoms by evaluating the release amount of oxygen molecules.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。Note that N O2 is the amount of released oxygen molecules. The release amount when converted into oxygen atoms is twice the release amount of oxygen molecules.

または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、5×1017spins/cm以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法(ESR:Electron Spin Resonance)にて、g値が2.01近傍に非対称の信号を有することもある。Alternatively, the insulator that releases oxygen by heat treatment may contain a peroxide radical. Specifically, it means that the spin density due to the peroxide radical is 5×10 17 spins/cm 3 or more. Note that an insulator containing a peroxide radical may have an asymmetric signal with ag value of around 2.01 by an electron spin resonance method (ESR).

また、絶縁体112は、絶縁体112の外側からの不純物の拡散を防止する機能を有してもよい。  Further, the insulator 112 may have a function of preventing diffusion of impurities from the outside of the insulator 112.

導電体108a及び導電体108bは、それぞれトランジスタ10のソース電極またはドレイン電極のいずれかとして機能する。  The conductor 108a and the conductor 108b each function as either a source electrode or a drain electrode of the transistor 10.

導電体108a及び導電体108bとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。  As the conductor 108a and the conductor 108b, for example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, A conductor containing one or more kinds of silver, indium, tin, tantalum, and tungsten may be used in a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy or a compound, a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, a conductor containing titanium and nitrogen. Etc. may be used.

導電体114はトランジスタ10のゲート電極として機能する。導電体114としては、導電体102として用いることができる導電体を用いればよい。  The conductor 114 functions as a gate electrode of the transistor 10. As the conductor 114, a conductor that can be used as the conductor 102 may be used.

ここで、図1(C)に示すように、チャネル長方向に垂直な断面において、導電体114が半導体106bを取り囲む構造とすることにより、半導体106bの全周囲からゲート電界を掛けることができる。これにより、DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)効果による非導通時のリーク電流の発生を低減することができる。  Here, as shown in FIG. 1C, a gate electric field can be applied from the entire periphery of the semiconductor 106b by having a structure in which the conductor 114 surrounds the semiconductor 106b in a cross section perpendicular to the channel length direction. As a result, it is possible to reduce the occurrence of leakage current during non-conduction due to the DIBL (Drain Induced Barrier Lowering) effect.

DIBL効果とは、ドレイン電圧の印加による影響で、ソースと半導体との接合部におけるエネルギー障壁が減少するために、サブスレッショルド特性が劣化する効果である。ドレイン側領域の空乏層幅が広がることでソース側領域の電圧降下が大きくなる。特に本実施の形態に示すトランジスタのようにチャネル長が短い場合、より顕著に効果が現れ、単チャネル効果と呼ばれる場合もある。  The DIBL effect is an effect caused by application of a drain voltage, and an energy barrier at a junction between a source and a semiconductor is reduced, so that a subthreshold characteristic is deteriorated. As the width of the depletion layer in the drain side region widens, the voltage drop in the source side region increases. In particular, when the channel length is short as in the transistor described in this embodiment, a more remarkable effect appears, which is sometimes called a single-channel effect.

これに対して、本実施の形態に示すトランジスタ10では、半導体106bの全周囲からゲート電界を掛けることでドレイン側の空乏層の広がりを抑制することができる。これにより、トランジスタ10は、非導通時のリーク電流を低減し、サブスレッショルドスイング値を小さくし、ノーマリーオフの電気特性とすることができる。  On the other hand, in the transistor 10 described in this embodiment, the expansion of the depletion layer on the drain side can be suppressed by applying the gate electric field from the entire periphery of the semiconductor 106b. As a result, the transistor 10 can reduce leakage current when it is not conducting, reduce the subthreshold swing value, and have normally-off electrical characteristics.

さらに、上述のように半導体106bに用いる酸化物半導体は蓄積型であり、チャネル長が短い構造においても、しきい値電圧を0Vより大きくさせやすい。  Further, as described above, the oxide semiconductor used for the semiconductor 106b is a storage type and the threshold voltage can be easily made higher than 0 V even in a structure with a short channel length.

さらに、本実施の形態に示すトランジスタ10はバックゲートとして機能する導電体102が設けられており、容易にしきい値電圧の制御を行うことができる。  Further, the transistor 10 described in this embodiment is provided with the conductor 102 which functions as a back gate, so that the threshold voltage can be easily controlled.

以上のような構成とすることにより、短チャネル効果に耐性を有するトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、チャネル長の短い微細構造において、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。  With the above structure, a transistor having resistance to a short channel effect can be provided. Alternatively, a transistor having normally-off electrical characteristics can be provided. Alternatively, it is possible to provide a transistor with a small leak current when it is not conducting. Alternatively, a transistor having a small subthreshold swing value can be provided. Alternatively, a transistor having stable electric characteristics in a microstructure with a short channel length can be provided.

<トランジスタ変形例>
以下、トランジスタ10の変形例について図2乃至図4を用いて説明する。なお、図2(A)乃至(F)、図3(A)(B)は、図1(B)及び図1(C)と同様に、トランジスタのチャネル長方向の断面図とトランジスタのチャネル幅方向の断面図になる。
<Transistor modification>
Hereinafter, modified examples of the transistor 10 will be described with reference to FIGS. Note that FIGS. 2A to 2F and FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views in the channel length direction of the transistor and the channel width of the transistor, as in FIGS. It becomes a sectional view in the direction.

上記トランジスタ10において、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状は略円形状としたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状を略多角形状としてもよい。なお、本明細書等において、略多角形とは、三角形、四角形などの厳密な多角形だけでなく、例えば多角形において角が丸みを帯びた形状も含むものとする。  In the transistor 10 described above, the cross-sectional shape of the cross section substantially perpendicular to the extending direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is substantially circular, but the semiconductor device described in this embodiment is not limited to this. For example, the cross-sectional shape in a cross section substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b may be a substantially polygonal shape. Note that in this specification and the like, the term “substantially polygonal shape” includes not only a strict polygonal shape such as a triangle and a quadrangle, but also a polygonal shape with rounded corners.

例えば、図2(A)(B)に示すトランジスタ10aは、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状が、角が丸みを帯びた四角形状である点において、トランジスタ10と異なる。また、絶縁体106a、絶縁体112及び導電体114の同断面における形状が半導体106bの断面形状に対応している。  For example, in the transistor 10a illustrated in FIGS. 2A and 2B, the cross-sectional shape in a cross section which is substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is a square shape with rounded corners. Different from the transistor 10. The shapes of the insulator 106a, the insulator 112, and the conductor 114 in the same cross section correspond to the cross sectional shape of the semiconductor 106b.

また、例えば、図2(C)(D)に示すトランジスタ10bは、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状が、角が丸みを帯びた三角形状である点において、トランジスタ10と異なる。また、絶縁体106a、絶縁体112及び導電体114の同断面における形状が半導体106bの断面形状に対応している。  In addition, for example, in the transistor 10b illustrated in FIGS. 2C and 2D, a cross-sectional shape in a cross section which is substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is a triangle with rounded corners. Is different from the transistor 10. The shapes of the insulator 106a, the insulator 112, and the conductor 114 in the same cross section correspond to the cross sectional shape of the semiconductor 106b.

また、トランジスタ10a及びトランジスタ10bでは、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状が正多角形に近い形状の例を示したが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図2(E)(F)に示すトランジスタ10cのように、半導体106bの伸長方向(A1−A2方向)に略垂直な断面における断面形状が、角が丸みを帯びた六角形状であり、正六角形と異なる形状にしてもよい。また、絶縁体106a、絶縁体112及び導電体114の同断面における形状が半導体106bの断面形状に対応している。  Further, in the transistor 10a and the transistor 10b, an example in which the cross-sectional shape of a cross section substantially perpendicular to the extending direction of the semiconductor 106b (A1-A2 direction) is close to a regular polygon is shown; however, the semiconductor device described in this embodiment. Is not limited to this. For example, as in a transistor 10c illustrated in FIGS. 2E and 2F, a cross-sectional shape in a cross section which is substantially perpendicular to the extension direction (A1-A2 direction) of the semiconductor 106b is a hexagonal shape with rounded corners. The shape may be different from the regular hexagon. The shapes of the insulator 106a, the insulator 112, and the conductor 114 in the same cross section correspond to the cross sectional shape of the semiconductor 106b.

また、図3(A)(B)に示すトランジスタ10dのように、導電体102が導電体114の外側に設けられている構成としてもよい。  Alternatively, as in the transistor 10d illustrated in FIGS. 3A and 3B, the conductor 102 may be provided outside the conductor 114.

また、図3(C)に示すトランジスタ10eのように、半導体106b、絶縁体106a、絶縁体112及び導電体102を含む複数のナノワイヤを、半導体106bの伸長方向が平行になるように配置して、一つの導電体114で各ナノワイヤを囲む構成としてもよい。このような構成とすることにより、1本のナノワイヤでは小さいオン電流を、十分に大きくすることができる。  Further, as in the transistor 10e illustrated in FIG. 3C, a plurality of nanowires including the semiconductor 106b, the insulator 106a, the insulator 112, and the conductor 102 are arranged so that the semiconductor 106b extends in parallel. Alternatively, a single conductor 114 may surround each nanowire. With such a configuration, a small on-current can be sufficiently increased with one nanowire.

また、基板の上面に対してナノワイヤの伸長方向が略平行になるようにトランジスタ50を設ける例について図4(A)乃至(E)を用いて説明する。図4(A)はトランジスタ50の上面図である。図4(B)は図4(A)の一点鎖線B1−B2に対応する断面図であり、図4(C)は図4(A)の一点鎖線B3−B4に対応する断面図である。なお、一点鎖線B1−B2で示す領域では、トランジスタ50のチャネル長方向における構造を示しており、一点鎖線B3−B4で示す領域では、一点鎖線B1−B2に垂直な方向における構造を示している。また、図4(A)において、図面が煩雑になることを避けるため、絶縁体162など一部の構造を省略して表現している。  Further, an example in which the transistor 50 is provided so that the extension direction of the nanowire is substantially parallel to the upper surface of the substrate will be described with reference to FIGS. FIG. 4A is a top view of the transistor 50. 4B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line B1-B2 in FIG. 4A, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line B3-B4 in FIG. 4A. Note that a region indicated by a dashed-dotted line B1-B2 shows a structure in the channel length direction of the transistor 50, and a region indicated by a dashed-dotted line B3-B4 shows a structure in a direction perpendicular to the dashed-dotted line B1-B2. .. In addition, in FIG. 4A, some structures such as the insulator 162 are omitted in order to avoid complexity of the drawing.

トランジスタ50は、基板150上に設けられた絶縁体151を有する。さらに、絶縁体151上に設けられた開口を有する絶縁体157を有する。さらに、当該開口中にB3−B4方向に伸長して設けられた導電体164aを有する。さらに、導電体164a上に設けられた絶縁体162aを有する。さらに、絶縁体162a上に設けられた開口を有する絶縁体162bを有する。さらに、絶縁体162bに形成された開口の中に、B1−B2方向に伸長して設けられた導電体152を有する。さらに、絶縁体162b及び導電体152上に設けられた絶縁体162cを有する。さらに、絶縁体162c上に設けられた絶縁体156aを有する。さらに、絶縁体162c上に、絶縁体156aを間に挟んで設けられた導電体158c及び導電体158dを有する。さらに、絶縁体156a、導電体158c及び導電体158dの上面に接して、B1−B2方向に伸長して設けられた半導体156bを有する。さらに、半導体156bの上面及び側面と、導電体158cの側面に接して、絶縁体156cを間に挟んで導電体158bと対向して設けられた導電体158aを有する。さらに、半導体156bの上面及び側面と、導電体158dの側面に接して、絶縁体156cを間に挟んで導電体158aと対向して設けられた導電体158bを有する。さらに、導電体158a及び導電体158b上に設けられ、導電体158aと導電体158bの間に開口を有する絶縁体167を有する。さらに、半導体156bの上面、導電体158a及び導電体158bの側面、絶縁体167の側面と接して設けられた絶縁体156cを有する。さらに、絶縁体156cの上面に接して設けられた絶縁体162dを有する。さらに、絶縁体162dの上面に接して設けられた導電体164bを有する。  The transistor 50 has an insulator 151 provided over the substrate 150. Further, an insulator 157 having an opening provided over the insulator 151 is included. Further, a conductor 164a which extends in the B3-B4 direction is provided in the opening. Further, an insulator 162a provided over the conductor 164a is included. Further, an insulator 162b having an opening provided over the insulator 162a is provided. Further, the conductor 152 which extends in the B1-B2 direction is provided in the opening formed in the insulator 162b. Further, the insulator 162b and the insulator 162c provided over the conductor 152 are included. Further, an insulator 156a provided over the insulator 162c is included. Further, a conductor 158c and a conductor 158d which are provided with the insulator 156a interposed therebetween are provided over the insulator 162c. Further, a semiconductor 156b provided in contact with the top surfaces of the insulator 156a, the conductor 158c, and the conductor 158d and extending in the B1-B2 direction is provided. Further, a conductor 158a is provided which is in contact with the top surface and the side surface of the semiconductor 156b and the side surface of the conductor 158c so as to face the conductor 158b with the insulator 156c interposed therebetween. Further, a conductor 158b is provided which is in contact with the top surface and the side surface of the semiconductor 156b and the side surface of the conductor 158d so as to face the conductor 158a with the insulator 156c interposed therebetween. Further, an insulator 167 which is provided over the conductors 158a and 158b and has an opening between the conductors 158a and 158b is provided. Further, an insulator 156c provided in contact with the top surface of the semiconductor 156b, the side surfaces of the conductor 158a and the conductor 158b, and the side surface of the insulator 167 is provided. Further, an insulator 162d provided in contact with the top surface of the insulator 156c is included. Further, a conductor 164b provided in contact with the top surface of the insulator 162d is included.

B3−B4方向の断面において、絶縁体156aと絶縁体156cは、半導体156bを囲むように設けられており、絶縁体156aと絶縁体156cの側面端部は概略一致している。B3−B4方向の断面において、絶縁体162cと絶縁体162dは、絶縁体156a、半導体156b及び絶縁体156cを囲むように設けられており、絶縁体162cと絶縁体162dの側面端部は概略一致している。B3−B4方向の断面において、導電体164aと導電体164bは、絶縁体162a乃至絶縁体162dを囲むように設けられる。  In the cross section in the B3-B4 direction, the insulator 156a and the insulator 156c are provided so as to surround the semiconductor 156b, and the side ends of the insulator 156a and the insulator 156c are substantially aligned with each other. In a cross section in the B3-B4 direction, the insulator 162c and the insulator 162d are provided so as to surround the insulator 156a, the semiconductor 156b, and the insulator 156c, and side end portions of the insulator 162c and the insulator 162d are substantially uniform. I am doing it. In the cross section in the B3-B4 direction, the conductors 164a and 164b are provided so as to surround the insulators 162a to 162d.

トランジスタ50は、トランジスタ10と対応して設けられている。半導体156bは半導体106bに対応し、上述の半導体106bとして用いることができる半導体を用いればよい。絶縁体156a及び絶縁体156cは絶縁体106aに対応し、上述の絶縁体106aとして用いることができる絶縁体または半導体を用いればよい。絶縁体162a乃至絶縁体162dは絶縁体112に対応し、上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。導電体152は導電体102に対応し、上述の導電体102として用いることができる導電体を用いればよい。導電体164a及び導電体164bは導電体114に対応し、上述の導電体114として用いることができる導電体を用いればよい。  The transistor 50 is provided corresponding to the transistor 10. The semiconductor 156b corresponds to the semiconductor 106b, and a semiconductor that can be used as the above-described semiconductor 106b may be used. The insulator 156a and the insulator 156c correspond to the insulator 106a, and an insulator or a semiconductor which can be used as the above-described insulator 106a may be used. The insulators 162a to 162d correspond to the insulator 112, and any insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The conductor 152 corresponds to the conductor 102, and a conductor that can be used as the above-described conductor 102 may be used. The conductors 164a and 164b correspond to the conductor 114, and a conductor that can be used as the above-described conductor 114 may be used.

また、トランジスタ50の変形例としてトランジスタ50aを図4(D)(E)に示す。図4(D)は図4(B)に対応しており、図4(E)は図4(C)に対応している。トランジスタ50aは、導電体158a(または導電体158b)の側面端部の傾斜角θと絶縁体167の側面端部の傾斜角θが一致していない点において、トランジスタ50と異なる。ここで、導電体158a及び導電体158bの側面端部の傾斜角θを30°以上90°未満、好ましくは45°以上80°未満、より好ましくは45°以上60°未満とすることが好ましい。また、絶縁体167の側面端部の傾斜角θは、傾斜角θより大きいことが好ましい。このように、導電体158a及び導電体158bの側面端部をテーパー形状とすることで、より導電体158aと導電体158bの距離を短くすることができ、トランジスタ50aのチャネル長Lを短くすることができる。As a modification of the transistor 50, a transistor 50a is shown in FIGS. FIG. 4(D) corresponds to FIG. 4(B), and FIG. 4(E) corresponds to FIG. 4(C). The transistor 50a differs from the transistor 50 in that the inclination angle θ 1 of the side surface end portion of the conductor 158a (or the conductor 158b) and the inclination angle θ 2 of the side surface end portion of the insulator 167 do not match. Here, the inclination angle θ 1 of the side surface end portions of the conductor 158a and the conductor 158b is preferably 30° or more and less than 90°, preferably 45° or more and less than 80°, more preferably 45° or more and less than 60°. .. Further, the inclination angle θ 2 of the side surface end portion of the insulator 167 is preferably larger than the inclination angle θ 1 . In this manner, by making the side surface end portions of the conductors 158a and 158b tapered, the distance between the conductors 158a and 158b can be further shortened and the channel length L of the transistor 50a can be shortened. You can

また、図4(D)に示すように、半導体156bは、導電体158aと導電体158bの間に導電体158a及び導電体158bと重なった領域より膜厚の薄い領域を有することがある。これは、導電体158a及び導電体158bを形成する際に、半導体156bの上面の一部を除去することにより形成される。半導体156bの上面には、導電体158a及び導電体158bとなる導電体を成膜した際に、低抵抗領域が形成される場合がある。このように、半導体156bの上面の導電体158aと導電体158bの間に位置する領域を除去することにより、半導体156bの上面の低抵抗領域にチャネルが形成されることを防ぐことができる。また、以降の図面において、拡大図などで膜厚の薄い領域を示さない場合でも、同様の膜厚の薄い領域が形成されている場合がある。  In addition, as illustrated in FIG. 4D, the semiconductor 156b may have a region between the conductors 158a and 158b that has a smaller thickness than a region where the conductors 158a and 158b overlap with each other. This is formed by removing part of the upper surface of the semiconductor 156b when forming the conductors 158a and 158b. A low resistance region may be formed on the upper surface of the semiconductor 156b when a conductor to be the conductor 158a and the conductor 158b is formed. As described above, by removing the region located between the conductors 158a and 158b on the upper surface of the semiconductor 156b, formation of a channel in the low resistance region on the upper surface of the semiconductor 156b can be prevented. Further, in the following drawings, even when the thin film region is not shown in an enlarged view or the like, a similar thin film region may be formed.

<トランジスタの作製方法>
以下において、図5乃至図7を用いてトランジスタ50の作製方法について説明する。
<Method for manufacturing transistor>
Hereinafter, a method for manufacturing the transistor 50 will be described with reference to FIGS.

まずは、基板150を準備する。基板150は、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。  First, the substrate 150 is prepared. As the substrate 150, for example, an insulating substrate, a semiconductor substrate, or a conductive substrate may be used. Examples of the insulating substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria-stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a single semiconductor substrate made of silicon, germanium, or the like, or a semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, gallium oxide, or the like. Further, there is a semiconductor substrate having an insulating region inside the semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, a substrate including a metal nitride, a substrate including a metal oxide, or the like can be given. Furthermore, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate provided with an element may be used. The elements provided on the substrate include a capacitance element, a resistance element, a switch element, a light emitting element, a storage element, and the like.

また、基板150として、トランジスタ作製時の加熱処理に耐えうる可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板150に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板150として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板150が伸縮性を有してもよい。また、基板150は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板150の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板150を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板150を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板150上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。  Alternatively, as the substrate 150, a flexible substrate that can withstand heat treatment at the time of manufacturing a transistor may be used. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is also a method in which the transistor is formed over a non-flexible substrate, the transistor is separated, and the transistor is transferred to the substrate 150 which is a flexible substrate. In that case, a peeling layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that as the substrate 150, a fiber-woven sheet, film, foil, or the like may be used. Further, the substrate 150 may have elasticity. Further, the substrate 150 may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, it may have a property of not returning to the original shape. The thickness of the substrate 150 is, for example, 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. When the substrate 150 is thin, the weight of the semiconductor device can be reduced. Further, by thinning the substrate 150, the substrate 150 may have elasticity even when glass or the like is used, or may have a property of returning to an original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, a shock or the like applied to the semiconductor device over the substrate 150 by dropping or the like can be mitigated. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可とう性基板である基板150としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板150は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板150としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板150として好適である。As the substrate 150 that is a flexible substrate, for example, a metal, an alloy, a resin, glass, or a fiber thereof can be used. It is preferable that the substrate 150, which is a flexible substrate, has a lower linear expansion coefficient because deformation due to the environment is suppressed. As the substrate 150 which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1×10 −3 /K or less, 5×10 −5 /K or less, or 1×10 −5 /K or less may be used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic and the like. In particular, aramid has a low linear expansion coefficient, and thus is suitable as the substrate 150 which is a flexible substrate.

次に、絶縁体151を成膜する。絶縁体151の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。  Next, the insulator 151 is formed. The insulator 151 is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or a pulsed laser deposition (PLD) method. It can be performed using a deposition (ALD: Atomic Layer Deposition) method or the like.

絶縁体151は、水素又は水をブロックする機能を有する絶縁体を用いる。絶縁体156a及び半導体156b近傍に設けられる絶縁体中の水素や水は、絶縁体156a及び半導体156b中にキャリアを生成する要因の一つとなる。これによりトランジスタ50の信頼性が低下するおそれがある。特に基板150としてスイッチ素子などのシリコン系半導体素子を設けた基板を用いる場合、当該半導体素子のダングリングボンドを終端するために水素が用いられ、当該水素がトランジスタ50まで拡散するおそれがある。これに対して水素又は水をブロックする機能を有する絶縁体151を設けることによりトランジスタ10の下層から水素又は水が拡散するのを抑制し、トランジスタ50の信頼性を向上させることができる。  As the insulator 151, an insulator having a function of blocking hydrogen or water is used. Hydrogen and water in the insulator provided in the vicinity of the insulator 156a and the semiconductor 156b are one of the factors that generate carriers in the insulator 156a and the semiconductor 156b. This may reduce the reliability of the transistor 50. In particular, when a substrate provided with a silicon-based semiconductor element such as a switch element is used as the substrate 150, hydrogen is used to terminate the dangling bond of the semiconductor element and the hydrogen may diffuse to the transistor 50. On the other hand, by providing the insulator 151 having a function of blocking hydrogen or water, diffusion of hydrogen or water from the lower layer of the transistor 10 can be suppressed and the reliability of the transistor 50 can be improved.

また、絶縁体151は酸素をブロックする機能も有することが好ましい。絶縁体151が絶縁体162c及び絶縁体162dから拡散する酸素をブロックすることにより、絶縁体162c及び絶縁体162dから絶縁体156a及び半導体156bに効果的に酸素を供給することができる。  Further, the insulator 151 preferably has a function of blocking oxygen. Since the insulator 151 blocks oxygen which diffuses from the insulator 162c and the insulator 162d, oxygen can be effectively supplied from the insulator 162c and the insulator 162d to the insulator 156a and the semiconductor 156b.

絶縁体151としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。これらを絶縁体151として用いることにより、酸素、水素又は水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。また、絶縁体151としては、例えば、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。これらを絶縁体151として用いることにより、水素、水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。  As the insulator 151, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like can be used. When these are used as the insulator 151, they can function as an insulating film having an effect of blocking diffusion of oxygen, hydrogen, or water. Further, as the insulator 151, for example, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like can be used. By using these as the insulator 151, they can function as an insulating film having an effect of blocking diffusion of hydrogen and water.

次に、絶縁体157となる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator to be the insulator 157 is formed. As the insulator, an insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、開口部を有する絶縁体157を形成する。  Next, a resist or the like is formed over the insulator and processed using the resist or the like to form the insulator 157 having an opening.

レジストは、対象物をエッチングなどによって加工した後で除去する。レジストの除去には、プラズマ処理または/およびウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理としては、プラズマアッシングが好適である。レジストなどの除去が不十分な場合、0.001volume%以上1volume%以下の濃度のフッ化水素酸または/およびオゾン水などによって取り残したレジストなどを除去しても構わない。  The resist is removed after the object is processed by etching or the like. Plasma treatment and/or wet etching is used to remove the resist. Plasma ashing is suitable for the plasma treatment. If the resist or the like is insufficiently removed, the resist left behind by hydrofluoric acid or/and ozone water having a concentration of 0.001 volume% or more and 1 volume% or less may be removed.

次に、導電体164aとなる導電体を成膜する。導電体164aとなる導電体としては、上述の導電体を用いることができる。導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a conductor to be the conductor 164a is formed. As the conductor to be the conductor 164a, the above-described conductor can be used. The conductor can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体157が露出するまで導電体を研磨し、導電体164aを形成する(図5(A)(B)参照。)。研磨は、CMP処理などによって行うことができる。  Next, the conductor is polished until the insulator 157 is exposed, so that the conductor 164a is formed (see FIGS. 5A and 5B). The polishing can be performed by CMP processing or the like.

次に、後の工程で絶縁体162aとなる絶縁体162eを成膜する。絶縁体162eとしては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体162eの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator 162e to be the insulator 162a in a later step is formed. As the insulator 162e, an insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The insulator 162e can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、後の工程で絶縁体162bとなる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator to be the insulator 162b is formed in a later step. As the insulator, an insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、開口部を有する絶縁体162fを形成する。  Next, a resist or the like is formed over the insulator and processed using the resist or the like, so that the insulator 162f having an opening is formed.

次に、導電体152となる導電体を成膜する。導電体152となる導電体としては、上述の導電体102として用いることができる導電体を用いればよい。導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a conductor to be the conductor 152 is formed. As the conductor serving as the conductor 152, a conductor that can be used as the above conductor 102 may be used. The conductor can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体162fが露出するまで導電体を研磨し、導電体152を形成する(図5(C)(D)参照。)。研磨は、CMP処理などによって行うことができる。  Next, the conductor is polished until the insulator 162f is exposed, so that the conductor 152 is formed (see FIGS. 5C and 5D). The polishing can be performed by CMP processing or the like.

次に、後の工程で絶縁体162cとなる絶縁体162gを成膜する。絶縁体162gとしては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体162gの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。また、絶縁体162g中に含まれる水、または水素を低減するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。  Next, an insulator 162g to be the insulator 162c in a later step is formed. As the insulator 162g, an insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The insulator 162g can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Alternatively, the film formation may be performed while heating the substrate in order to reduce water or hydrogen contained in the insulator 162g.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体162gなどに含まれる水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶縁体162gに過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、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、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。RTA装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。  Next, heat treatment is preferably performed. By performing the heat treatment, water or hydrogen contained in the insulator 162g or the like can be further reduced. In some cases, the insulator 162g can have excess oxygen. The heat treatment may be performed at 250 °C to 650 °C inclusive, preferably 450 °C to 600 °C inclusive, and more preferably 520 °C to 570 °C inclusive. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or higher, 1% or higher, or 10% or higher. The heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere and then in an atmosphere containing an oxidizing gas in an amount of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement desorbed oxygen. For the heat treatment, an RTA device using lamp heating can be used. The heat treatment by the RTA device requires a shorter time than that in the furnace, and is effective for improving productivity.

次に、後の工程で絶縁体156aとなる絶縁体を成膜して、レジストなどを用いて加工し、絶縁体156dを形成する(図5(E)(F)参照。)。絶縁体156dとしては上述の絶縁体106aとして用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator to be the insulator 156a is formed in a later step and processed with a resist or the like to form the insulator 156d (see FIGS. 5E and 5F). As the insulator 156d, an insulator, a semiconductor, or the like that can be used as the insulator 106a described above may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、後の工程で導電体158c及び導電体158dとなる導電体を成膜して、絶縁体156dが露出するまで導電体を研磨し、導電体158e及び導電体158fを形成する(図5(G)(H)参照。)。研磨は、CMP処理などによって行うことができる。導電体158e及び導電体158fとしては上述の導電体108a及び導電体108bとして用いることができる導電体を用いればよい。導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a conductor to be the conductor 158c and the conductor 158d is formed in a later step, and the conductor is polished until the insulator 156d is exposed to form the conductor 158e and the conductor 158f (FIG. 5). (See (G) and (H)). The polishing can be performed by CMP processing or the like. As the conductors 158e and 158f, conductors that can be used as the conductors 108a and 108b described above may be used. The conductor can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、半導体156bとなる半導体を成膜する。半導体としては上述の半導体106bとして用いることができる半導体を用いればよい。半導体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a semiconductor to be the semiconductor 156b is formed. As the semiconductor, a semiconductor that can be used as the above-described semiconductor 106b may be used. The semiconductor film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、半導体156bとなる半導体、絶縁体156dまたは絶縁体162g中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶縁体162gに過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、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、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体156d、半導体156bとなる半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。RTA装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。  Next, heat treatment is preferably performed. By performing the heat treatment, water or hydrogen in the semiconductor to be the semiconductor 156b, the insulator 156d, or the insulator 162g can be further reduced. In some cases, the insulator 162g can have excess oxygen. The heat treatment may be performed at 250 °C to 650 °C inclusive, preferably 450 °C to 600 °C inclusive, and more preferably 520 °C to 570 °C inclusive. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or higher, 1% or higher, or 10% or higher. The heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere and then in an atmosphere containing an oxidizing gas in an amount of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement desorbed oxygen. By the heat treatment, crystallinity of a semiconductor to be the insulator 156d and the semiconductor 156b can be increased, impurities such as hydrogen and water can be removed, and the like. For the heat treatment, an RTA device using lamp heating can be used. The heat treatment by the RTA device requires a shorter time than that in the furnace, and is effective for improving productivity.

次に、半導体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、半導体156bを形成する。それから、導電体158e及び導電体158fの上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体158c及び導電体158dを形成する(図6(A)(B)参照。)。  Next, a resist or the like is formed over the semiconductor, and processing is performed using the resist or the like to form the semiconductor 156b. Then, a resist or the like is formed over the conductor 158e and the conductor 158f, and processing is performed using the resist or the like to form the conductor 158c and the conductor 158d (see FIGS. 6A and 6B).

さらに半導体156b形成後に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、半導体156b、絶縁体156dまたは絶縁体162g中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶縁体162gに過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、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、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体156d、半導体156bの結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。RTA装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。  Further, heat treatment is preferably performed after the semiconductor 156b is formed. By performing the heat treatment, water or hydrogen in the semiconductor 156b, the insulator 156d, or the insulator 162g can be further reduced. In some cases, the insulator 162g can have excess oxygen. The heat treatment may be performed at 250 °C to 650 °C inclusive, preferably 450 °C to 600 °C inclusive, and more preferably 520 °C to 570 °C inclusive. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or higher, 1% or higher, or 10% or higher. The heat treatment may be performed under reduced pressure. Alternatively, the heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere and then in an atmosphere containing an oxidizing gas in an amount of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement desorbed oxygen. By the heat treatment, crystallinity of the insulator 156d and the semiconductor 156b can be increased, impurities such as hydrogen and water can be removed, and the like. For the heat treatment, an RTA device using lamp heating can be used. The heat treatment by the RTA device requires a shorter time than that in the furnace, and is effective for improving productivity.

また、高密度プラズマ処理などを行ってもよい。高密度プラズマは、マイクロ波を用いて生成すればよい。高密度プラズマ処理では、例えば、酸素、亜酸化窒素などの酸化性ガスを用いればよい。または、酸化性ガスと、He、Ar、Kr、Xeなどの希ガスと、の混合ガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理において、基板にバイアスを印加してもよい。これにより、プラズマ中の酸素イオンなどを基板側に引き込むことができる。高密度プラズマ処理は基板を加熱しながら行ってもよい。例えば、上記加熱処理の代わりに高密度プラズマ処理を行う場合、上記加熱処理の温度より低温で同様の効果を得ることができる。高密度プラズマ処理は、絶縁体156dの成膜前に行ってもよいし、後述する絶縁体167の開口形成後に行ってもよいし、後述する絶縁体156f形成後などに行ってもよい。  Further, high density plasma treatment or the like may be performed. High-density plasma may be generated using microwaves. In the high density plasma treatment, for example, an oxidizing gas such as oxygen or nitrous oxide may be used. Alternatively, a mixed gas of an oxidizing gas and a rare gas such as He, Ar, Kr, or Xe may be used. A bias may be applied to the substrate in the high density plasma treatment. As a result, oxygen ions in the plasma can be drawn to the substrate side. The high-density plasma treatment may be performed while heating the substrate. For example, when high-density plasma treatment is performed instead of the heat treatment, the same effect can be obtained at a temperature lower than the temperature of the heat treatment. The high-density plasma treatment may be performed before the insulator 156d is formed, after the opening of the insulator 167 described later is formed, or after the insulator 156f described later is formed.

次に、導電体158a及び導電体158bとなる導電体を成膜する。導電体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体を島状に形成する。導電体としては上述の導電体108a及び導電体108bとして用いることができる導電体を用いればよい。導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a conductor to be the conductor 158a and the conductor 158b is formed. A resist or the like is formed on the conductor and processed using the resist or the like to form the conductor in an island shape. As the conductor, a conductor that can be used as the conductor 108a and the conductor 108b described above may be used. The conductor can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体167となる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator to be the insulator 167 is formed. As the insulator, an insulator that can be used as the above-described insulator 112 may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、絶縁体167、導電体158a及び導電体158bを形成する(図6(C)(D)参照。)。  Next, a resist or the like is formed over the insulator and processed using the resist or the like to form the insulator 167, the conductor 158a, and the conductor 158b (see FIGS. 6C and 6D).

次に、後の工程で絶縁体156cとなる絶縁体156eを成膜する(図6(E)(F)参照。)。絶縁体156eとしては上述の絶縁体106aとして用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体156eの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator 156e to be the insulator 156c in a later step is formed (see FIGS. 6E and 6F). As the insulator 156e, an insulator, a semiconductor, or the like that can be used as the insulator 106a described above may be used. The insulator 156e can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体156e上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、絶縁体156f及び絶縁体156aを形成する(図7(A)(B)参照。)。ここで、絶縁体156fと絶縁体156aのB3−B4方向の側面端部は概略一致するように形成される。  Next, a resist or the like is formed over the insulator 156e and processed using the resist or the like to form the insulator 156f and the insulator 156a (see FIGS. 7A and 7B). Here, the side surfaces of the insulator 156f and the insulator 156a in the B3-B4 direction are formed to substantially coincide with each other.

次に、後の工程で絶縁体162dとなる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体112として用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, an insulator to be the insulator 162d is formed in a later step. As the insulator, an insulator, a semiconductor, or the like that can be used as the insulator 112 described above may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、絶縁体162a、絶縁体162b、絶縁体162c及び絶縁体162hを形成する(図7(C)(D)参照。)。ここで、絶縁体162a、絶縁体162b、絶縁体162c及び絶縁体162hのB3−B4方向の側面端部は概略一致するように形成される。  Next, a resist or the like is formed over the insulator and processed using the resist or the like to form the insulator 162a, the insulator 162b, the insulator 162c, and the insulator 162h (see FIGS. 7C and 7D). ..). Here, the side surfaces of the insulator 162a, the insulator 162b, the insulator 162c, and the insulator 162h in the B3-B4 direction are formed to be substantially aligned with each other.

次に、導電体164bとなる導電体を成膜する。導電体としては、上述の導電体114として用いることができる導電体を用いればよい。導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。  Next, a conductor to be the conductor 164b is formed. As the conductor, a conductor that can be used as the above-described conductor 114 may be used. The conductor can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、導電体上から絶縁体167が露出するまで研磨をすることで、導電体164b、絶縁体162dおよび絶縁体156cを形成する(図7(E)(F)参照。)。導電体164bおよび絶縁体162dは、それぞれトランジスタ50のゲート電極およびゲート絶縁体としての機能を有する。上述した方法によって、導電体164bおよび絶縁体162dを自己整合的に形成することができる。  Next, the conductor 164b, the insulator 162d, and the insulator 156c are formed by polishing from above the conductor until the insulator 167 is exposed (see FIGS. 7E and 7F). The conductor 164b and the insulator 162d have a function as a gate electrode and a gate insulator of the transistor 50, respectively. The conductor 164b and the insulator 162d can be formed in a self-aligned manner by the method described above.

さらに、保護絶縁膜として機能する絶縁体を成膜してもよい。絶縁体としては上述の絶縁体151として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて行うことができる。ここで、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて絶縁体の成膜をおこなうことにより、成膜と同時に絶縁体162d及び絶縁体167の表面近傍に酸素を添加することができる。  Further, an insulator functioning as a protective insulating film may be formed. As the insulator, an insulator that can be used as the above-described insulator 151 may be used. The insulator can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Here, by forming a film of an insulator by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen, oxygen can be added to the surfaces of the insulator 162d and the insulator 167 at the same time as the film formation.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことにより、絶縁体162c、絶縁体162d及び絶縁体167に添加した酸素を拡散させ、絶縁体156a、半導体156b、絶縁体156cに供給することができる。  Next, heat treatment is preferably performed. By heat treatment, oxygen added to the insulator 162c, the insulator 162d, and the insulator 167 can be diffused and supplied to the insulator 156a, the semiconductor 156b, and the insulator 156c.

以上の工程により、本発明の一態様に係るトランジスタを作製することができる。  Through the above steps, the transistor of one embodiment of the present invention can be manufactured.

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。  As described above, the structure and the method described in this embodiment can be combined with any of the structures and methods described in other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体の詳細について、以下説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, details of the oxide semiconductor included in the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below.

<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
<Structure of oxide semiconductor>
The structure of the oxide semiconductor will be described below.

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。  Oxide semiconductors are classified into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (c-axis-aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystal oxide semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide). : Amorphous-like oxide semiconductor) and an amorphous oxide semiconductor.

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

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。  Amorphous structure is generally isotropic and does not have a heterogeneous structure, metastable state in which the arrangement of atoms is not fixed, bond angle is flexible, short-range order but long-range order It is said that it does not have

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

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

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

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図11(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) will be described. For example, when the CAAC-OS including InGaZnO 4 crystals classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) is obtained as illustrated in FIG. Shows a peak near 31°. Since this peak is assigned to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in the CAAC-OS, the crystal has c-axis orientation and the c-axis has a surface which forms a film of CAAC-OS (formation target). It is also confirmed that it is oriented in a direction substantially perpendicular to the upper surface). In addition to the peak near 2θ of 31°, a peak may appear near 2θ of 36°. The peak near 2θ of 36° is due to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, CAAC-OS preferably does not show the peak.

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図11(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図11(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。On the other hand, when a structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction parallel to the formation surface, a peak appears at 2θ of around 56°. This peak is assigned to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Then, even if 2θ is fixed near 56° and the analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), it is clear as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when a single crystal InGaZnO 4 was scanned at φ with 2θ fixed at around 56°, six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane were observed as shown in FIG. 11C. To be done. Therefore, from the structural analysis using XRD, it can be confirmed that the CAAC-OS has irregular a-axis and b-axis orientations.

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図11(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図11(E)に示す。図11(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図11(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図11(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。Next, the CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS including InGaZnO 4 crystals in parallel to a surface on which the CAAC-OS is formed, a diffraction pattern (restricted area) as shown in FIG. Electron diffraction pattern) may appear. This diffraction pattern includes spots due to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction also shows that the pellets included in the CAAC-OS have c-axis orientation and the c-axis faces a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 11E shows a diffraction pattern when an electron beam having a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface. From FIG. 11E, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. Therefore, it is found that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS do not have orientation even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm. Note that the first ring in FIG. 11E is considered to be derived from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. The second ring in FIG. 11E is considered to be derived from the (110) plane and the like.

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

図12(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって観察することができる。  FIG. 12A shows a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction (Spherical Aberration Corrector) function was used for the observation of the 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. The Cs-corrected high-resolution TEM image can be observed with, for example, an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図12(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの膜を被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。  From FIG. 12A, a pellet which is a region where metal atoms are arranged in layers can be confirmed. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, the pellet can also be called a nanocrystal (nc). Further, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor having CANC (C-Axis Aligned nanocrystals). The pellet reflects unevenness on the surface where the CAAC-OS film is formed or on the upper surface, and is parallel to the surface where the CAAC-OS is formed and the upper surface.

また、図12(B)および図12(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図12(D)および図12(E)は、それぞれ図12(B)および図12(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図12(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。Further, FIGS. 12B and 12C show Cs-corrected high-resolution TEM images of a plane of the CAAC-OS observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface. FIGS. 12D and 12E are images obtained by performing image processing on FIGS. 12B and 12C, respectively. The method of image processing will be described below. First, an FFT image is acquired by performing a fast Fourier transform (FFT: Fast Fourier Transform) processing of FIG. Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Then, the masked FFT image is subjected to inverse fast Fourier transform (IFFT) processing to obtain an image-processed image. The image thus obtained is called an FFT filtered image. The FFT filtered image is an image obtained by extracting the periodic component from the Cs-corrected high resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.

図12(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。  In FIG. 12D, a broken line indicates a portion where the lattice arrangement is disturbed. The area surrounded by the broken line is one pellet. And the part shown by the broken line is the connecting portion between the pellets. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. The shape of the pellet is not limited to the regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.

図12(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。  In FIG. 12E, a dotted line indicates a portion where the orientation of the lattice array is changed between a region where the lattice arrangement is uniform and another region where the lattice arrangement is uniform. It is indicated by a broken line. Even in the vicinity of the dotted line, no clear grain boundary can be confirmed. By connecting the lattice points around the dotted line to the surrounding lattice points, a distorted hexagon, pentagon, and/or heptagon can be formed. That is, it is understood that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate strain due to a non-dense atomic arrangement in the ab plane direction, a change in the bond distance between atoms due to substitution with a metal element, or the like. Conceivable.

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

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。  CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be lowered due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities or defects (such as oxygen vacancies).

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。  Note that the impurities are elements other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, and transition metal elements. For example, an element such as silicon which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element forming the oxide semiconductor deprives the oxide semiconductor of oxygen, which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and reduces crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have a large atomic radius (or molecular radius), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and causes deterioration of crystallinity.

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

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

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

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

また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図13(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図13(B)に示す。図13(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。In addition, for example, when an nc-OS including a crystal of InGaZnO 4 is thinned and an electron beam having a probe diameter of 50 nm is made incident on a region having a thickness of 34 nm in parallel with a formation surface, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nano-beam electron diffraction pattern) as shown is observed. Further, FIG. 13B shows a diffraction pattern (nano-beam electron diffraction pattern) when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 13B, a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, in the nc-OS, ordering is not confirmed when an electron beam having a probe diameter of 50 nm is incident, but ordering is confirmed when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident.

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図13(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。  When an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on a region with a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagon is observed as shown in FIG. There are cases where Therefore, it is understood that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. In addition, since the crystals are oriented in various directions, there are regions where a regular electron diffraction pattern is not observed.

図13(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。  FIG. 13D shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of a cross section of the nc-OS observed in a direction substantially parallel to the formation surface. In the high-resolution TEM image, the nc-OS has a region where crystal parts can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region where clear crystal parts cannot be confirmed. The crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, in particular, a size of 1 nm to 3 nm in many cases. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal portion is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. In the high resolution TEM image of the nc-OS, for example, the crystal grain boundaries may not be clearly confirmed in some cases. Note that nanocrystals may have the same origin as pellets in CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS may be called a pellet below.

このように、nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。  As described above, the nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly, a region of 1 nm to 3 nm). Moreover, in the nc-OS, no regularity is found in the crystal orientation between different pellets. Therefore, no orientation is seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

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

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

<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
<a-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and the amorphous oxide semiconductor.

図14に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図14(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図14(B)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図14(A)および図14(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。FIG. 14 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of a-like OS. Here, FIG. 14A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 14B is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e ) at 4.3×10 8 e /nm 2 . From FIGS. 14A and 14B, it can be seen that a striped bright region extending in the vertical direction is observed in the a-like OS from the start of electron irradiation. Further, it is found that the shape of the bright region changes after the electron irradiation. The bright region is presumed to be a void or a low density region.

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。  The a-like OS has an unstable structure because it has a void. Hereinafter, since the a-like OS has a more unstable structure than the CAAC-OS and the nc-OS, a structure change due to electron irradiation is shown.

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

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

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

図15は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図15より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図15より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e)の累積照射量が4.2×10/nmにおいては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図15より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域の直径を230nmとした。FIG. 15 is an example in which the average size of the crystal parts (22 to 30 points) of each sample was investigated. The length of the above-mentioned lattice stripes is the size of the crystal part. From FIG. 15, it is found that in the a-like OS, the crystal part becomes larger according to the cumulative irradiation amount of electrons related to the acquisition of the TEM image and the like. From FIG. 15, the crystal part (also referred to as an initial nucleus), which had a size of about 1.2 nm in the initial observation by TEM, had a cumulative irradiation dose of electrons (e ) of 4.2×10 8 e /nm. In No. 2 , it can be seen that the growth has reached about 1.9 nm. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range of the cumulative electron dose from the start of electron irradiation to 4.2×10 8 e /nm 2. I understand. From FIG. 15, it is found that the sizes of the crystal parts of the nc-OS and the CAAC-OS are about 1.3 nm and about 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative dose of electrons. For electron beam irradiation and TEM observation, Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used. The electron beam irradiation conditions were such that the acceleration voltage was 300 kV, the current density was 6.7×10 5 e /(nm 2 ·s), and the diameter of the irradiation region was 230 nm.

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

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

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

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

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

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。  As described above, the structure and the method described in this embodiment can be combined with any of the structures and methods described in other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
<回路>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a circuit of a semiconductor device including a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.
<Circuit>
Hereinafter, an example of a circuit of a semiconductor device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<CMOSインバータ>
図16(A)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、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOSインバータの構成を示している。
<CMOS inverter>
The circuit diagram in FIG. 16A illustrates a so-called CMOS inverter in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected.

図16(A)に示した半導体装置は、半導体基板を用いてpチャネル型トランジスタを作製し、その上方にnチャネル型トランジスタを作製することにより、素子の占有面積を縮小することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、nチャネル型トランジスタと、pチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすることができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、pチャネル型トランジスタは、LDD(Lightly Doped Drain)領域、シャロートレンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、nチャネル型トランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高くすることができる場合がある。  In the semiconductor device illustrated in FIG. 16A, a p-channel transistor is formed using a semiconductor substrate and an n-channel transistor is formed thereover, whereby the area occupied by the element can be reduced. That is, the degree of integration of the semiconductor device can be increased. Further, since the process can be simplified as compared with the case where the n-channel transistor and the p-channel transistor are manufactured using the same semiconductor substrate, the productivity of the semiconductor device can be increased. In addition, the yield of semiconductor devices can be increased. In addition, in the p-channel transistor, complicated processes such as LDD (Lightly Doped Drain) region, shallow trench structure, and strain design may be omitted in some cases. Therefore, the productivity and the yield of the n-channel transistor can be increased in some cases as compared with the case where the n-channel transistor is manufactured using a semiconductor substrate.

<CMOSアナログスイッチ>
また図16(B)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
<CMOS analog switch>
The circuit diagram in FIG. 16B illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. With such a configuration, it can function as a so-called CMOS analog switch.

<記憶装置1>
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図17に示す。
<Memory device 1>
FIG. 17 illustrates an example of a semiconductor device (memory device) including the transistor according to one embodiment of the present invention, which can retain stored data even when power is not supplied and has no limitation on the number of times of writing.

図17(A)に示す半導体装置は、第1の半導体を用いたトランジスタ3200と第2の半導体を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、上述のトランジスタ2100と同様のトランジスタを用いることができる。  The semiconductor device illustrated in FIG. 17A includes a transistor 3200 including a first semiconductor, a transistor 3300 including a second semiconductor, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, a transistor similar to the above-described transistor 2100 can be used.

トランジスタ3300は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ3300は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ3300のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに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、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。  The transistor 3300 is preferably a transistor with low off-state current. For the transistor 3300, for example, a transistor including an oxide semiconductor can be used. Since the off-state current of the transistor 3300 is small, stored data can be stored in a specific node of the semiconductor device for a long time. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely reduced; thus, a semiconductor device with low power consumption can be obtained.

図17(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソースと電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続される。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート、およびトランジスタ3300のソース、ドレインの他方は、容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。  In FIG. 17A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate of the transistor 3300. The gate of the transistor 3200 and the other of the source and the drain of the transistor 3300 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 3400. Has been done.

図17(A)に示す半導体装置は、トランジスタ3200のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。  The semiconductor device illustrated in FIG. 17A has a characteristic of holding the potential of the gate of the transistor 3200, and thus can write, hold, and read data, as described below.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300が導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を導通状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート、および容量素子3400の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トランジスタ3200のゲートには、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。)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300が非導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を非導通状態とすることにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。  Writing and holding of information will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is applied to the node FG which is electrically connected to the gate of the transistor 3200 and one of the electrodes of the capacitor 3400. That is, predetermined charge is applied to the gate of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that either one of the charges that gives two different potential levels (hereinafter referred to as Low level charge and High level charge) is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, so that the transistor 3300 is turned off, so that electric charge is held in the node FG (holding).

トランジスタ3300のオフ電流が小さいため、ノードFGの電荷は長期間にわたって保持される。  Since the off-state current of the transistor 3300 is small, the charge of the node FG is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ3200のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードFG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、ノードFGにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「導通状態」となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「非導通状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読み出すことができる。Next, reading of information will be described. When a suitable potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, the second wiring 3002 causes the charges held in the node FG to be applied. It takes a potential according to the amount. This is because when the transistor 3200 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H in the case where the gate of the transistor 3200 is supplied with High level charge is as follows. This is because the threshold voltage becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L . Here, the apparent threshold voltage refers to a potential of the fifth wiring 3005, which is necessary for bringing the transistor 3200 into a “conductive state”. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to the potential V 0 between V th_H and V th_L , the charge applied to the node FG can be determined. For example, in writing, when high-level charge is applied to the node FG and the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (>V th_H ), the transistor 3200 is turned on. On the other hand, in the case where low-level charge is applied to the node FG, the transistor 3200 remains in a “non-conduction state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, the information held in the node FG can be read by determining the potential of the second wiring 3002.

なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。Note that when the memory cells are arranged in an array, the information of a desired memory cell must be read at the time of reading. For example, in a memory cell in which data is not read, a potential such that the transistor 3200 is in a “non-conducting state” regardless of charge applied to the node FG, that is, a potential lower than V th_H is applied to the fifth wiring 3005. Therefore, only the information of a desired memory cell may be read. Alternatively , in the memory cell in which data is not read, a potential such that the transistor 3200 is in a “conductive state” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential higher than V th_L is applied to the fifth wiring 3005. Therefore, only the information of the desired memory cell can be read.

なお、上記においては、2種類の電荷をノードFGに保持する例について示したが、本発明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードFGに3種類以上の電荷をノードに保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。  Although an example in which two types of charges are held in the node FG has been described above, the semiconductor device of the present invention is not limited to this. For example, the structure may be such that three or more kinds of charges can be held in the node FG of the semiconductor device. With such a structure, the semiconductor device can be multivalued and the storage capacity can be increased.

<記憶装置2>
図17(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を有さない点で図17(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図17(A)に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
<Memory device 2>
The semiconductor device illustrated in FIG. 17B is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 17A in that it does not include the transistor 3200. In this case also, information writing and data holding operations can be performed by operations similar to those of the semiconductor device illustrated in FIG.

図17(B)に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300が導通状態になると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の電極の一方の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。  Reading of information in the semiconductor device in FIG. 17B is described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 which is in a floating state and the capacitor 3400 are turned on, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in the potential of the third wiring 3003 has a different value depending on the potential of one of the electrodes of the capacitor 3400 (or the charge accumulated in the capacitor 3400).

例えば、容量素子3400の電極の一方の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+CV)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子3400の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV0)/(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 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed is When VB0 is set, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB×VB0+CV)/(CB+C). Therefore, assuming that one of the electrodes of the capacitor 3400 has two potentials V1 and V0 (V1>V0) as states of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held is retained. It can be seen that the potential (=(CB×VB0+CV1)/(CB+C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 (=(CB×VB0+CV0)/(CB+C)) when the potential V0 is held. ..

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

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。  In this case, a transistor to which the first semiconductor is applied is used for a driver circuit for driving the memory cell, and a transistor to which the second semiconductor is applied is stacked as the transistor 3300 on the driver circuit. do it.

以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。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、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。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好ましい)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。  By applying a transistor including an oxide semiconductor and having a small off-state current, the semiconductor device described above can retain stored data for a long time. That is, the refresh operation becomes unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely reduced, so that a semiconductor device with low power consumption can be realized. Further, even when power is not supplied (however, it is preferable that the potential is fixed), the stored content can be held for a long time.

また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。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わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、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した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。  In addition, the semiconductor device does not require high voltage for writing data, and thus deterioration of elements is less likely to occur. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, neither injection of electrons into the floating gate nor extraction of electrons from the floating gate is performed, so that the problem of deterioration of the insulator does not occur. That is, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device in which there is no limitation on the number of rewritable times, which is a problem in the conventional nonvolatile memory, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on whether the transistor is on or off, high speed operation is possible.

<記憶装置3>
図17(A)に示す半導体装置(記憶装置)の変形例について、図18に示す回路図を用いて説明する。
<Memory device 3>
A modified example of the semiconductor device (memory device) illustrated in FIG. 17A will be described with reference to a circuit diagram in FIG. 18.

図18に示す半導体装置は、トランジスタ4100乃至トランジスタ4400と、容量素子4500及び容量素子4600と、を有する。ここでトランジスタ4100は、上述のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ4200乃至4400は、上述のトランジスタ3300と同様のトランジスタを用いることができる。なお、図18に示す半導体装置は、図18では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図18に示す半導体装置は、配線4001、配線4003、配線4005乃至4009に与える信号又は電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。  The semiconductor device illustrated in FIG. 18 includes transistors 4100 to 4400, a capacitor 4500, and a capacitor 4600. Here, the transistor 4100 can be a transistor similar to the above-described transistor 3200, and the transistors 4200 to 4400 can be similar to the above-described transistor 3300. Although not shown in FIG. 18, the semiconductor device illustrated in FIG. 18 is provided in a matrix. In the semiconductor device illustrated in FIG. 18, writing and reading of a data voltage can be controlled in accordance with a signal or a potential applied to the wiring 4001, the wiring 4003, and the wirings 4005 to 4009.

トランジスタ4100のソース又はドレインの一方は、配線4003に接続される。トランジスタ4100のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。なお図18では、トランジスタ4100の導電型をpチャネル型として示すが、nチャネル型でもよい。  One of a source and a drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4003. The other of the source and the drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4001. Note that although the conductivity type of the transistor 4100 is a p-channel type in FIG. 18, it may be an n-channel type.

図18に示す半導体装置は、2つのデータ保持部を有する。例えば第1のデータ保持部は、ノードFG1に接続されるトランジスタ4400のソース又はドレインの一方、容量素子4600の一方の電極、及びトランジスタ4200のソース又はドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第2のデータ保持部は、ノードFG2に接続されるトランジスタ4100のゲート、トランジスタ4200のソース又はドレインの他方、トランジスタ4300のソース又はドレインの一方、及び容量素子4500の一方の電極の間で電荷を保持する。  The semiconductor device shown in FIG. 18 has two data holding units. For example, the first data holding portion holds electric charge between one of the source and the drain of the transistor 4400, the one electrode of the capacitor 4600, and the one of the source and the drain of the transistor 4200, which are connected to the node FG1. In addition, the second data holding portion is provided between the gate of the transistor 4100 connected to the node FG2, the other of the source and the drain of the transistor 4200, the one of the source and the drain of the transistor 4300, and the one electrode of the capacitor 4500. Holds an electric charge.

トランジスタ4300のソース又はドレインの他方は、配線4003に接続される。トランジスタ4400のソース又はドレインの他方は、配線4001に接続される。トランジスタ4400のゲートは、配線4005に接続される。トランジスタ4200のゲートは、配線4006に接続される。トランジスタ4300のゲートは、配線4007に接続される。容量素子4600の他方の電極は、配線4008に接続される。容量素子4500の他方の電極は、配線4009に接続される。  The other of the source and the drain of the transistor 4300 is connected to the wiring 4003. The other of the source and the drain of the transistor 4400 is connected to the wiring 4001. The gate of the transistor 4400 is connected to the wiring 4005. The gate of the transistor 4200 is connected to the wiring 4006. The gate of the transistor 4300 is connected to the wiring 4007. The other electrode of the capacitor 4600 is connected to the wiring 4008. The other electrode of the capacitor 4500 is connected to the wiring 4009.

トランジスタ4200乃至4400は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ4200乃至4400は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流(オフ電流)が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)であることが好ましい。OSトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図18では、トランジスタ4200乃至14の導電型をnチャネル型として示すが、pチャネル型でもよい。  The transistors 4200 to 4400 have a function as a switch which controls writing of a data voltage and retention of electric charge. Note that as the transistors 4200 to 4400, it is preferable to use transistors in which a current (off-state current) flowing between a source and a drain in a non-conduction state is low. A transistor having a small off-state current is preferably a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region (OS transistor). The OS transistor has advantages that it has low off-state current, can be stacked with a transistor including silicon, and the like. Although the conductivity type of the transistors 4200 to 14 is shown as an n-channel type in FIG. 18, it may be a p-channel type.

トランジスタ4200及びトランジスタ4300と、トランジスタ4400とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図18に示す半導体装置は、図18に示すように、トランジスタ4100を有する第1の層4021と、トランジスタ4200及びトランジスタ4300を有する第2の層4022と、トランジスタ4400を有する第3の層4023と、で構成されることが好ましい。トランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。  The transistors 4200 and 4300 and the transistor 4400 are preferably provided in different layers even if they are transistors including an oxide semiconductor. That is, as illustrated in FIG. 18, the semiconductor device illustrated in FIG. 18 includes a first layer 4021 including a transistor 4100, a second layer 4022 including a transistor 4200 and a transistor 4300, and a third layer including a transistor 4400. 4023 and are preferably comprised. By stacking layers each including a transistor, the circuit area can be reduced and the semiconductor device can be downsized.

次いで、図18に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。  Next, an operation of writing information to the semiconductor device shown in FIG. 18 will be described.

最初に、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作(以下、書き込み動作1とよぶ。)について説明する。なお、以下において、ノードFG1に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をVD1とし、トランジスタ4100の閾値電圧をVthとする。First, a write operation of a data voltage to a data holding portion connected to the node FG1 (hereinafter referred to as write operation 1) will be described. Note that in the following, the data voltage written in the data holding portion connected to the node FG1 is V D1 and the threshold voltage of the transistor 4100 is V th.

書き込み動作1では、配線4003をVD1とし、配線4001を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線4005、4006をハイレベルにする。また配線4007乃至4009をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4001の電位が上昇する。またトランジスタ4400、トランジスタ4200が導通状態となる。そのため、配線4001の電位の上昇につれて、ノードFG1、FG2の電位が上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100でゲートとソースとの間の電圧(Vgs)がトランジスタ4100の閾値電圧Vthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4001、ノードFG1、FG2の電位の上昇は止まり、VD1からVthだけ下がった「VD1−Vth」で一定となる。In the writing operation 1, the wiring 4003 is set to V D1 , the wiring 4001 is set to the ground potential, and then the wiring 4003 is brought into an electrically floating state. Further, the wirings 4005 and 4006 are set to a high level. In addition, the wirings 4007 to 4009 are set to a low level. Then, the potential of the node FG2 which is in an electrically floating state is increased and a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4001 rises. Further, the transistors 4400 and 4200 are turned on. Therefore, as the potential of the wiring 4001 is increased, the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased. When the potential of the node FG2 rises and the voltage (Vgs) between the gate and the source of the transistor 4100 reaches the threshold voltage Vth of the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 decreases. Therefore, the wiring 4001, the node FG1, increase in the potential of FG2 is stopped, the constant drops from V D1 by Vth "V D1 -Vth".

つまり、配線4003に与えたVD1は、トランジスタ4100に電流が流れることで、配線4001に与えられ、ノードFG1、FG2の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードFG2の電位が「VD1−Vth」となると、トランジスタ4100のVgsがVthとなるため、電流が止まる。That is, V D1 given to the wiring 4003 is given to the wiring 4001 as the current flows through the transistor 4100, and the potentials of the nodes FG1 and FG2 rise. When the potential of the node FG2 becomes “V D1 −Vth” due to the increase in potential, Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, and the current stops.

次に、ノードFG2に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作(以下、書き込み動作2とよぶ。)について説明する。なお、ノードFG2に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をVD2として説明する。Next, a data voltage writing operation to the data holding portion connected to the node FG2 (hereinafter referred to as writing operation 2) will be described. The data voltage written in the data holding unit connected to the node FG2 will be described as V D2 .

書き込み動作2では、配線4001をVD2とし、配線4003を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線4007をハイレベルにする。また配線4005、4006、4008、4009をローレベルにする。トランジスタ4300を導通状態として配線4003をローレベルにする。そのため、ノードFG2の電位もローレベルにまで低下し、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、配線4003の電位が上昇する。またトランジスタ4300が導通状態となる。そのため、配線4003の電位の上昇につれて、ノードFG2の電位が上昇する。ノードFG2の電位が上昇し、トランジスタ4100でVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。そのため、配線4003、FG2の電位の上昇は止まり、VD2からVthだけ下がった「VD2−Vth」で一定となる。In the writing operation 2, the wiring 4001 is set to V D2 , the wiring 4003 is set to the ground potential, and then the wiring 4003 is brought into an electrically floating state. In addition, the wiring 4007 is set to a high level. Further, the wirings 4005, 4006, 4008, and 4009 are set to low level. The transistor 4300 is turned on and the wiring 4003 is set at a low level. Therefore, the potential of the node FG2 also drops to low level, and current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 rises. Further, the transistor 4300 is turned on. Therefore, the potential of the node FG2 rises as the potential of the wiring 4003 rises. When the potential of the node FG2 rises and Vgs of the transistor 4100 reaches Vth of the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 decreases. For this reason, stops the rise of the potential of the wiring 4003, FG2, becomes constant at dropped from V D2 only Vth "V D2 -Vth".

つまり、配線4001に与えたVD2は、トランジスタ4100に電流が流れることで、配線4003に与えられ、ノードFG2の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードFG2の電位が「VD2−Vth」となると、トランジスタ4100のVgsがVthとなるため、電流が止まる。このとき、ノードFG1の電位は、トランジスタ4200、4400共に非導通状態であり、書き込み動作1で書きこんだ「VD1−Vth」が保持される。That is, V D2 given to the wiring 4001 is given to the wiring 4003 as the current flows through the transistor 4100, and the potential of the node FG2 is increased. When the potential of the node FG2 becomes “V D2 −Vth” due to the increase in potential, Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, and the current stops. At this time, the potential of the node FG1 is non-conducting in both the transistors 4200 and 4400, and “V D1 −Vth” written in the writing operation 1 is held.

図18に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線4009をハイレベルにして、ノードFG1、FG2の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。  In the semiconductor device illustrated in FIG. 18, after writing a data voltage in a plurality of data holding portions, the wiring 4009 is set at a high level and the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased. Then, each transistor is brought into a non-conducting state to eliminate the movement of charges and hold the written data voltage.

以上説明したノードFG1、FG2へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「VD1−Vth」や「VD2−Vth」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で4ビットのデータを保持する場合、16値の「VD1−Vth」や「VD2−Vth」を取り得る。By the operation of writing the data voltage to the nodes FG1 and FG2 described above, the data voltage can be held in the plurality of data holding units. The potentials to be written are described as "V D1 -Vth" and "V D2- Vth" as examples, but these are data voltages corresponding to multi-valued data. Therefore, when 4-bit data is held in each data holding unit, 16-valued “V D1 −Vth” or “V D2 −Vth” can be obtained.

次いで、図18に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。  Next, an operation of reading information from the semiconductor device illustrated in FIG. 18 is described.

最初に、ノードFG2に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作(以下、読み出し動作1とよぶ。)について説明する。  First, a read operation of a data voltage to the data holding portion connected to the node FG2 (hereinafter, referred to as read operation 1) will be described.

読み出し動作1では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線4003を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009をローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードFG2の電位を「VD2−Vth」とする。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電位の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100のVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD2−Vth」からVthだけ大きい値である「VD2」となる。この配線4003の電位は、ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はA/D変換を行い、ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータを取得する。In the read operation 1, the wiring 4003, which is in an electrically floating state after precharging, is discharged. The wirings 4005 to 4008 are set to low level. Further, the potential of the node FG2 which is in an electrically floating state is “V D2 −Vth” with the wiring 4009 at a low level. When the potential of the node FG2 decreases, current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 which is in an electrically floating state is lowered. As the potential of the wiring 4003 decreases, Vgs of the transistor 4100 decreases. When Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 becomes smaller. That is, the potential of the wiring 4003 becomes “V D2 ”, which is a value larger than the potential “V D2 −Vth” of the node FG2 by Vth. The potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG2. The read analog voltage data voltage is subjected to A/D conversion to obtain data in the data holding unit connected to the node FG2.

つまり、プリチャージ後の配線4003を浮遊状態とし、配線4009の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低下して「VD2」となる。トランジスタ4100では、ノードFG2の「VD2−Vth」との間のVgsがVthとなるため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作2で書きこんだ「VD2」が読み出される。That is, the wiring 4003 after precharge is brought into a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level, whereby a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 which is in a floating state is lowered to “V D2 ”. In the transistor 4100, Vgs between the node FG2 and “V D2 −Vth” becomes Vth, so that the current stops. Then, “V D2 ”written in the writing operation 2 is read to the wiring 4003.

ノードFG2に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ4300を導通状態として、ノードFG2の「VD2−Vth」を放電させる。When the data in the data holding unit connected to the node FG2 is acquired, the transistor 4300 is turned on and “V D2 −Vth” of the node FG2 is discharged.

次に、ノードFG1に保持される電荷をノードFG2に分配し、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータ電圧を、ノードFG2に接続されるデータ保持部に移す。ここで、配線4001、4003をローレベルとする。配線4006をハイレベルにする。また、配線4005、配線4007乃至4009をローレベルにする。トランジスタ4200が導通状態となることで、ノードFG1の電荷が、ノードFG2との間で分配される。  Next, the charge held in the node FG1 is distributed to the node FG2, and the data voltage of the data holding portion connected to the node FG1 is transferred to the data holding portion connected to the node FG2. Here, the wirings 4001 and 4003 are set to a low level. The wiring 4006 is set to a high level. In addition, the wiring 4005 and the wirings 4007 to 4009 are set to a low level. When the transistor 4200 is turned on, the charge of the node FG1 is distributed to the node FG2.

ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「VD1−Vth」から低下する。そのため、容量素子4600の容量値は、容量素子4500の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。あるいは、ノードFG1に書きこむ電位「VD1−Vth」は、同じデータを表す電位「VD2−Vth」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。Here, the electric potential after the charge is distributed decreases from the written electric potential “V D1 −Vth”. Therefore, it is preferable that the capacitance value of the capacitor 4600 be larger than that of the capacitor 4500. Alternatively, the potential “V D1 −Vth” written to the node FG1 is preferably higher than the potential “V D2 −Vth” representing the same data. As described above, by changing the ratio of the capacitance values and increasing the potential to be written in advance, it is possible to suppress the decrease in the potential after the charge is distributed. The fluctuation of the potential due to the charge distribution will be described later.

次に、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作(以下、読み出し動作2とよぶ。)について説明する。  Next, a read operation of the data voltage to the data holding unit connected to the node FG1 (hereinafter referred to as a read operation 2) will be described.

読み出し動作2では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線4003を放電させる。配線4005乃至4008をローレベルにする。また、配線4009は、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線4009をローレベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードFG2を電位「VD1−Vth」とする。ノードFG2の電位が下がることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線4003の電位が低下する。配線4003の電位の低下につれて、トランジスタ4100のVgsが小さくなる。トランジスタ4100のVgsがトランジスタ4100のVthになると、トランジスタ4100を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線4003の電位が、ノードFG2の電位「VD1−Vth」からVthだけ大きい値である「VD1」となる。この配線4003の電位は、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はA/D変換を行い、ノードFG1に接続されるデータ保持部のデータを取得する。以上が、ノードFG1に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。In the read operation 2, the wiring 4003, which is in an electrically floating state after precharging, is discharged. The wirings 4005 to 4008 are set to low level. Further, the wiring 4009 is set to a high level at the time of precharge and then set to a low level. By setting the wiring 4009 to a low level, the potential of the node FG2 which is in an electrically floating state is set to “V D1 −Vth”. When the potential of the node FG2 decreases, current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 which is in an electrically floating state is lowered. As the potential of the wiring 4003 decreases, Vgs of the transistor 4100 decreases. When Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100, the current flowing through the transistor 4100 becomes smaller. That is, the potential of the wiring 4003 becomes “V D1 ”, which is a value larger than the potential “V D1 −Vth” of the node FG2 by Vth. The potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG1. The read analog value data voltage is subjected to A/D conversion to obtain data in the data holding unit connected to the node FG1. The above is the operation of reading the data voltage to the data holding unit connected to the node FG1.

つまり、プリチャージ後の配線4003を浮遊状態とし、配線4009の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ4100に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線4003の電位は低して「VD1」となる。トランジスタ4100では、ノードFG2の「VD1−Vth」との間のVgsがVthとなるため、電流が止まる。そして、配線4003には、書き込み動作1で書きこんだ「VD1」が読み出される。That is, the wiring 4003 after precharge is brought into a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level, whereby a current flows through the transistor 4100. With the current flowing, the potential of the wiring 4003 which is in a floating state is lowered and becomes “V D1 ”. In the transistor 4100, Vgs between the node FG2 and “V D1 −Vth” becomes Vth, so that the current stops. Then, “V D1 ”written in the writing operation 1 is read to the wiring 4003.

以上説明したノードFG1、FG2からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードFG1及びノードFG2にそれぞれ4ビット(16値)のデータを保持することで計8ビット(256値)のデータを保持することができる。また、図18においては、第1の層4021乃至第3の層4023からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。  By the data voltage read operation from the nodes FG1 and FG2 described above, the data voltage can be read from the plurality of data holding units. For example, by storing 4-bit (16-valued) data in each of the node FG1 and the node FG2, 8-bit (256-valued) data can be held in total. Although the structure including the first layer 4021 to the third layer 4023 is shown in FIG. 18, by further forming layers, the storage capacity can be increased without increasing the area of the semiconductor device. ..

なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりVthだけ大きい電圧として読み出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「VD1−Vth」や「VD2−Vth」のVthを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけることができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。Note that the potential to be read can be read as a voltage higher than the written data voltage by Vth. Therefore, the Vth of “V D1 −Vth” or “V D2 −Vth” written in the writing operation can be canceled and read. As a result, the storage capacity per memory cell can be improved, and the read data can be made closer to the correct data, so that the reliability of the data can be made excellent.

<記憶装置4>
図17(C)に示す半導体装置は、トランジスタ3500、第6の配線3006を有する点で図17(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図17(A)に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジスタ3500としては上記のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いればよい。
<Memory device 4>
The semiconductor device illustrated in FIG. 17C is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 17A in that it includes a transistor 3500 and a sixth wiring 3006. In this case also, information writing and data holding operations can be performed by operations similar to those of the semiconductor device illustrated in FIG. As the transistor 3500, a transistor similar to the above transistor 3200 may be used.

第6の配線3006は、トランジスタ3500のゲートと電気的に接続され、トランジスタ3500のソース、ドレインの一方はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続され、トランジスタ3500のソース、ドレインの他方は第3の配線3003と電気的に接続される。  The sixth wiring 3006 is electrically connected to the gate of the transistor 3500, one of a source and a drain of the transistor 3500 is electrically connected to a drain of the transistor 3200, and the other of the source and the drain of the transistor 3500 is a third wiring. It is electrically connected to the wiring 3003.

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 combined with any of the structures described in the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したOSトランジスタを適用可能な回路構成の一例について、図19乃至図22を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a circuit structure to which the OS transistor described in any of the above embodiments can be applied will be described with reference to FIGS.

図19(A)にインバータの回路図を示す。インバータ800は、入力端子INの論理を反転した信号を出力端子OUTに出力する。インバータ800は、複数のOSトランジスタを有する。信号SBGは、OSトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。A circuit diagram of the inverter is shown in FIG. The inverter 800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the input terminal IN to the output terminal OUT. The inverter 800 has a plurality of OS transistors. The signal S BG is a signal that can switch the electrical characteristics of the OS transistor.

図19(B)は、インバータ800の一例となる回路図である。インバータ800は、OSトランジスタ810、およびOSトランジスタ820を有する。インバータ800は、nチャネル型トランジスタで作製することができるため、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)でインバータ(CMOSインバータ)を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。  FIG. 19B is a circuit diagram which is an example of the inverter 800. The inverter 800 has an OS transistor 810 and an OS transistor 820. Since the inverter 800 can be manufactured using an n-channel transistor, it can be manufactured at lower cost as compared with a case where an inverter (CMOS inverter) is manufactured using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

なおOSトランジスタを有するインバータ800は、Siトランジスタで構成されるCMOS上に配置することもできる。インバータ800は、CMOSの回路構成に重ねて配置できるため、インバータ800を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。  Note that the inverter 800 having an OS transistor can also be provided over the CMOS including a Si transistor. Since the inverter 800 can be arranged so as to overlap the circuit configuration of the CMOS, it is possible to suppress an increase in circuit area due to the addition of the inverter 800.

OSトランジスタ810、820は、フロントゲートとして機能する第1ゲートと、バックゲートとして機能する第2ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第1端子、ソースまたはドレインの他方として機能する第2端子を有する。  The OS transistors 810 and 820 each have a first gate that functions as a front gate, a second gate that functions as a back gate, a first terminal that functions as one of a source and a drain, and a second terminal that functions as the other of the source and the drain. Have.

OSトランジスタ810の第1ゲートは、第2端子に接続される。OSトランジスタ810の第2ゲートは、信号SBGを供給する配線に接続される。OSトランジスタ810の第1端子は、電圧VDDを与える配線に接続される。OSトランジスタ810の第2端子は、出力端子OUTに接続される。The first gate of the OS transistor 810 is connected to the second terminal. The second gate of the OS transistor 810 is connected to the wiring which supplies the signal S BG . The first terminal of the OS transistor 810 is connected to a wiring which supplies the voltage VDD. The second terminal of the OS transistor 810 is connected to the output terminal OUT.

OSトランジスタ820の第1ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ820の第2ゲートは、入力端子INに接続される。OSトランジスタ820の第1端子は、出力端子OUTに接続される。OSトランジスタ820の第2端子は、電圧VSSを与える配線に接続される。  The first gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN. The second gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN. The first terminal of the OS transistor 820 is connected to the output terminal OUT. The second terminal of the OS transistor 820 is connected to a wiring which supplies the voltage VSS.

図19(C)は、インバータ800の動作を説明するためのタイミングチャートである。図19(C)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、信号SBGの信号波形、およびOSトランジスタ810(FET810)の閾値電圧の変化について示している。FIG. 19C is a timing chart for explaining the operation of the inverter 800. The timing chart in FIG. 19C shows a signal waveform of the input terminal IN, a signal waveform of the output terminal OUT, a signal waveform of the signal S BG , and changes in the threshold voltage of the OS transistor 810 (FET 810).

信号SBGはOSトランジスタ810の第2ゲートに与えることで、OSトランジスタ810の閾値電圧を制御することができる。The threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled by applying the signal S BG to the second gate of the OS transistor 810.

信号SBGは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧VBG_A、閾値電圧をプラスシフトさせるための電圧VBG_Bを有する。第2ゲートに電圧VBG_Aを与えることで、OSトランジスタ810は閾値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることができる。また、第2ゲートに電圧VBG_Bを与えることで、OSトランジスタ810は閾値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることができる。Signal S BG has a voltage V BG_B for voltage V BG_A for causing negative shift of the threshold voltage, the threshold voltage is positive shift. By applying the voltage V BG_A to the second gate, the OS transistor 810 can be negatively shifted to the threshold voltage V TH_A . Further, by applying the voltage V BG_B to the second gate, the OS transistor 810 can be positively shifted to the threshold voltage V TH_B .

前述の説明を可視化するために、図20(A)には、トランジスタの電気特性の一つである、Vg−Idカーブを示す。  In order to visualize the above description, FIG. 20A shows a Vg-Id curve which is one of electric characteristics of a transistor.

上述したOSトランジスタ810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_Aのように大きくすることで、図20(A)中の破線840で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したOSトランジスタ810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_Bのように小さくすることで、図20(A)中の実線841で表される曲線にシフトさせることができる。図20(A)に示すように、OSトランジスタ810は、信号SBGを電圧VBG_Aあるいは電圧VBG_Bというように切り替えることで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。The electrical characteristics of the OS transistor 810 described above can be shifted to the curve represented by the dashed line 840 in FIG. 20A by increasing the voltage of the second gate like the voltage V BG_A . The electrical characteristics of the OS transistor 810 described above can be shifted to the curve represented by the solid line 841 in FIG. 20A by reducing the voltage of the second gate like the voltage V BG_B . As illustrated in FIG. 20A, the OS transistor 810 can shift the signal S BG to the voltage V BG_A or the voltage V BG_B so that the threshold voltage is shifted to the plus side or the minus side.

閾値電圧を閾値電圧VTH_Bにプラスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができる。図20(B)には、この状態を可視化して示す。図20(B)に図示するように、OSトランジスタ810に流れる電流Iを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態(ON)のとき、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させることができる。By positively shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH_B , the OS transistor 810 can be in a state in which current hardly flows. This state is visualized and shown in FIG. As illustrated in FIG. 20B, the current I B flowing in the OS transistor 810 can be extremely small. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at high level and the OS transistor 820 is in the on state (ON), the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.

図20(B)に図示したように、OSトランジスタ810に流れる電流が流れにくい状態とすることができるため、図19(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形831を急峻に変化させることができる。電圧VDDを与える配線と、電圧VSSを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。  As illustrated in FIG. 20B, the current flowing through the OS transistor 810 can be made difficult to flow. Therefore, the signal waveform 831 of the output terminal in the timing chart in FIG. You can Since a penetrating current flowing between the wiring which supplies the voltage VDD and the wiring which supplies the voltage VSS can be reduced, operation with low power consumption can be performed.

また、閾値電圧を閾値電圧VTH_Aにマイナスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができる。図20(C)には、この状態を可視化して示す。図20(C)に図示するように、このとき流れる電流Iを少なくとも電流Iよりも大きくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態(OFF)のとき、出力端子OUTの電圧を急峻に上昇させることができる。 Further , by negatively shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH_A , the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows. This state is visualized and shown in FIG. As shown in FIG. 20 (C), it can be larger than at least the current I B of the current I A flowing at this time. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is low level and the OS transistor 820 is in the off state (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be sharply increased.

図20(C)に図示したように、OSトランジスタ810に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図19(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形832を急峻に変化させることができる。  As illustrated in FIG. 20C, the current flowing in the OS transistor 810 can be easily made to flow, so that the signal waveform 832 of the output terminal in the timing chart in FIG. You can

なお、信号SBGによるOSトランジスタ810の閾値電圧の制御は、OSトランジスタ820の状態が切り替わる以前、すなわち時刻T1やT2よりも前に行うことが好ましい。例えば、図19(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻T1よりも前に、閾値電圧VTH_Aから閾値電圧VTH_BにOSトランジスタ810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図19(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がローレベルに切り替わる時刻T2よりも前に、閾値電圧VTH_Bから閾値電圧VTH_AにOSトランジスタ810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。Note that the threshold voltage of the OS transistor 810 is preferably controlled by the signal S BG before the state of the OS transistor 820 is switched, that is, before the time T1 or T2. For example, as illustrated in FIG. 19C , the threshold voltage of the OS transistor 810 is switched from the threshold voltage V TH_A to the threshold voltage V TH_B before time T1 when the signal applied to the input terminal IN is switched to the high level. Is preferred. As illustrated in FIG. 19C , the threshold voltage of the OS transistor 810 is switched from the threshold voltage V TH_B to the threshold voltage V TH_A before time T2 when the signal applied to the input terminal IN is switched to the low level. Is preferred.

なお図19(C)のタイミングチャートでは、入力端子INに与える信号に応じて信号SBGを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたOSトランジスタ810の第2ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図21(A)に示す。Note that the timing chart in FIG. 19C shows the structure in which the signal S BG is switched in accordance with the signal supplied to the input terminal IN, but another structure may be used. For example, the voltage for controlling the threshold voltage may be held in the second gate of the OS transistor 810 in a floating state. FIG. 21A illustrates an example of a circuit structure which can realize the structure.

図21(A)では、図19(B)で示した回路構成に加えて、OSトランジスタ850を有する。OSトランジスタ850の第1端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。またOSトランジスタ850の第2端子は、電圧VBG_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第1ゲートは、信号Sを与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第2ゲートは、電圧VBG_B(あるいは電圧VBG_A)を与える配線に接続される。In FIG. 21A, an OS transistor 850 is provided in addition to the circuit structure illustrated in FIG. The first terminal of the OS transistor 850 is connected to the second gate of the OS transistor 810. The second terminal of the OS transistor 850 is connected to a wiring which supplies the voltage V BG_B (or the voltage V BG_A ). The first gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring for providing signal S F. The second gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring which supplies the voltage V BG_B (or the voltage V BG_A ).

図21(A)の動作について、図21(B)のタイミングチャートを用いて説明する。  The operation of FIG. 21A will be described with reference to the timing chart of FIG.

OSトランジスタ810の閾値電圧を制御するための電圧は、入力端子INに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻T3よりも前に、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成とする。信号SをハイレベルとしてOSトランジスタ850をオン状態とし、ノードNBGに閾値電圧を制御するための電圧VBG_Bを与える。The voltage for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810 is applied to the second gate of the OS transistor 810 before time T3 when the signal applied to the input terminal IN is switched to the high level. The signal S F is set to a high level to turn on the OS transistor 850, and the voltage V BG_B for controlling the threshold voltage is applied to the node N BG .

ノードNBGが電圧VBG_Bとなった後は、OSトランジスタ850をオフ状態とする。OSトランジスタ850は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで、一旦ノードNBGに保持させた電圧VBG_Bを保持することができる。そのため、OSトランジスタ850の第2ゲートに電圧VBG_Bを与える動作の回数が減るため、電圧VBG_Bの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。After the node N BG becomes the voltage V BG — B , the OS transistor 850 is turned off. OS transistor 850, an off-state current is extremely small, by continuing to the OFF state, it is possible to hold the voltage V BG_B obtained by temporarily held in the node N BG. Therefore, the number of operations of applying the voltage V BG_B to the second gate of the OS transistor 850 is reduced, so that power consumption required for rewriting the voltage V BG_B can be reduced.

なお図19(B)および図21(A)の回路構成では、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子INに与える信号を基に生成し、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図22(A)に示す。  In the circuit configurations of FIGS. 19B and 21A, the configuration in which the voltage applied to the second gate of the OS transistor 810 is externally controlled is shown, but another configuration may be adopted. For example, the voltage for controlling the threshold voltage may be generated based on the signal applied to the input terminal IN and applied to the second gate of the OS transistor 810. FIG. 22A shows an example of a circuit structure which can realize the structure.

図22(A)では、図19(B)で示した回路構成において、入力端子INとOSトランジスタ810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ860を有する。CMOSインバータ860の入力端子は、入力端子INに接続さえる。CMOSインバータ860の出力端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。  22A, a CMOS inverter 860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 810 in the circuit configuration illustrated in FIG. 19B. The input terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the input terminal IN. The output terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the second gate of the OS transistor 810.

図22(A)の動作について、図22(B)のタイミングチャートを用いて説明する。図22(B)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、CMOSインバータ860の出力波形IN_B、およびOSトランジスタ810(FET810)の閾値電圧の変化について示している。  The operation in FIG. 22A will be described with reference to the timing chart in FIG. The timing chart of FIG. 22B shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the output waveform IN_B of the CMOS inverter 860, and the threshold voltage of the OS transistor 810 (FET 810).

入力端子INに与える信号の論理を反転した信号である出力波形IN_Bは、OSトランジスタ810の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図20(A)乃至(C)で説明したように、OSトランジスタ810の閾値電圧を制御できる。例えば、図22(B)における時刻T4となるとき、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態となる。このとき、出力波形IN_Bはローレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させることができる。  The output waveform IN_B, which is a signal obtained by inverting the logic of the signal supplied to the input terminal IN, can be used as a signal for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810. Therefore, the threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled as described with reference to FIGS. For example, at time T4 in FIG. 22B, the signal supplied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is on. At this time, the output waveform IN_B becomes low level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which a current hardly flows, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.

また図22(B)における時刻T5となるとき、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態となる。このとき、出力波形IN_Bはハイレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧のを急峻に上昇させることができる。  At time T5 in FIG. 22B, the signal supplied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 820 is off. At this time, the output waveform IN_B becomes high level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which a current easily flows, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply increased.

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

(実施の形態5)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a CPU including a transistor according to one embodiment of the present invention and a semiconductor device such as the above memory device will be described.

<CPUの構成>
図23は、上述したトランジスタを一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。
<CPU configuration>
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of an example of a CPU partially including the above transistor.

図23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、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図23に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図23に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。  The CPU shown in FIG. 23 includes an ALU 1191 (ALU: Arithmetic logic unit, arithmetic circuit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198 on a substrate 1190. , A rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189. As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in another chip. Of course, the CPU shown in FIG. 23 is merely an example in which the configuration is simplified and shown, and an actual CPU has various configurations depending on its application. For example, the configuration including the CPU or the arithmetic circuit illustrated in FIG. 23 may be one core, a plurality of the cores may be included, and each core may operate in parallel. The number of bits that the CPU can handle in the internal arithmetic circuit or the data bus can be set to 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, or the like.

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。  The instruction input to the CPU via the bus interface 1198 is input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 1195.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。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。  The ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instruction. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. Further, the interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input/output device or a peripheral circuit based on its priority or mask state during execution of the program of the CPU. The register controller 1197 generates the address of the register 1196 and reads or writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ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、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号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。  The timing controller 1195 also generates signals that control the timing of the operations of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1 and supplies the internal clock signal CLK2 to the above various circuits.

図23に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。  In the CPU illustrated in FIG. 23, the register 1196 is provided with a memory cell. As the memory cell of the register 1196, the above transistor, the memory device, or the like can be used.

図23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。即ち、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。  In the CPU shown in FIG. 23, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 according to an instruction from the ALU 1191. That is, in the memory cell included in the register 1196, it is selected whether the data is held by the flip-flop or the capacitor. When data holding by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When data retention in the capacitor is selected, data is rewritten in the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cell in the register 1196 can be stopped.

図24は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子1200の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。  FIG. 24 is an example of a circuit diagram of a memory element 1200 that can be used as the register 1196. The storage element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data is volatilized by power interruption, a circuit 1202 in which stored data is not volatilized by power interruption, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor element 1207, and a selection function. And a circuit 1220 included therein. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, and a transistor 1210. Note that the memory element 1200 may further include another element such as a diode, a resistance element, or an inductor as needed.

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

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

トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。  One of a source and a drain of the transistor 1209 is electrically connected to one of a pair of electrodes of the capacitor 1208 and a gate of the transistor 1210. Here, the connection portion is the node M2. One of a source and a drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring capable of supplying a low power supply potential (eg, a GND line), and the other is a first terminal of the switch 1203 (a source and a drain of the transistor 1213). On the other hand). A second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is electrically connected to a first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214). The second terminal of the switch 1204 (the other of the source and the drain of the transistor 1214) is electrically connected to a wiring which can supply the power supply potential VDD. The second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213), the first terminal of the switch 1204 (one of the source and the drain of the transistor 1214), the input terminal of the logic element 1206, and the capacitor 1207. One of the pair of electrodes is electrically connected. Here, the connection portion is the node M1. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 can have a structure in which a constant potential is input. For example, a low power supply potential (GND or the like) or a high power supply potential (VDD or the like) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 is electrically connected to a wiring which can supply a low power supply potential (eg, a GND line). The other of the pair of electrodes of the capacitor 1208 can have a structure in which a constant potential is input. For example, a low power supply potential (GND or the like) or a high power supply potential (VDD or the like) can be input. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1208 is electrically connected to a wiring that can supply a low power supply potential (eg, a GND line).

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

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

トランジスタ1209のソースとドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図24では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。  A signal corresponding to the data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. In the example shown in FIG. 24, the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. The signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) becomes an inverted signal whose logical value is inverted by the logic element 1206 and is input to the circuit 1201 through the circuit 1220. ..

なお、図24では、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号を当該ノードに入力することができる。  Note that FIG. 24 illustrates an example in which the signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) is input to the circuit 1201 through the logic element 1206 and the circuit 1220. Not limited to. The signal output from the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) may be input to the circuit 1201 without being inverted in logical value. For example, in the case where there is a node in the circuit 1201 in which a signal in which a logic value of a signal input from an input terminal is inverted is held, the second terminal of the switch 1203 (the other of the source and the drain of the transistor 1213) The output signal can be input to the node.

また、図24において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。  In FIG. 24, among the transistors used for the memory element 1200, transistors other than the transistor 1209 can be transistors in which a channel is formed in a film formed using a semiconductor other than an oxide semiconductor or the substrate 1190. For example, a transistor in which a channel is formed in a silicon film or a silicon substrate can be used. Alternatively, all the transistors used in the memory element 1200 can be transistors whose channels are formed using an oxide semiconductor. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor, in addition to the transistor 1209, and the remaining transistors have a channel formed in a layer formed using a semiconductor other than an oxide semiconductor or in the substrate 1190. It can also be a transistor that is closed.

図24における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。  A flip-flop circuit can be used for the circuit 1201 in FIG. As the logic element 1206, for example, an inverter, a clocked inverter, or the like can be used.

本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。  In the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the data stored in the circuit 1201 can be held by the capacitor 1208 provided in the circuit 1202 while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200.

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

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

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

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

記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF(Radio Frequency)デバイスにも応用可能である。  Although the storage element 1200 has been described as an example using the CPU, the storage element 1200 is also applicable to an LSI such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, a PLD (Programmable Logic Device), or an RF (Radio Frequency) device. .

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 combined with any of the structures described in the other embodiments as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, electronic devices each including a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<電子機器>
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 Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)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、電子書籍端末、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25に示す。
<Electronic equipment>
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display capable of reproducing a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc) and displaying the image. Can be used for a device having a. In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a video camera, a camera such as a digital still camera, or goggles. Type display (head mounted display), navigation system, sound reproduction device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer complex machine, automatic teller machine (ATM), vending machine, etc. Be done. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図25(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908等を有する。なお、図25(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。  25A shows a portable game machine, which includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, a speaker 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 25A includes two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game machine is not limited to this.

図25(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913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との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部913および第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よい。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。または、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。  25B shows a portable data terminal, which includes 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. The first display portion 913 is provided in the first housing 911, and the second display portion 914 is provided in the second housing 912. The first housing 911 and the second housing 912 are connected by the connecting portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connecting portion 915. is there. 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 in the connection unit 915. Further, a display device in which a function as a position input device is added to at least one of the first display unit 913 and the second display unit 914 may be used. The function as the position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as the position input device can be added by providing a photoelectric conversion element also called a photosensor in a pixel portion of the display device.

図25(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。  25C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図25(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933等を有する。  FIG. 25D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator compartment door 932, a freezer compartment door 933, and the like.

図25(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およびレンズ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942との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。  FIG. 25E illustrates a video camera, which includes a first housing 941, a second housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connecting portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided in the first housing 941, and the display portion 943 is provided in the second housing 942. The first housing 941 and the second housing 942 are connected by the connecting portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connecting portion 946. is there. The image on the display portion 943 may be switched according to the angle between the first housing 941 and the second housing 942 in the connection portion 946.

図25(F)は自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。  FIG. 25F is an automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。  Note that one embodiment of the present invention is described in this embodiment. However, one embodiment of the present invention is not limited to these. In other words, various modes of the invention are described in this embodiment mode and the like; therefore, one mode of the present invention is not limited to a specific mode. For example, as one embodiment of the present invention, an example in which the channel formation region, the source/drain region, and the like of the transistor include an oxide semiconductor is described; however, one embodiment of the present invention is not limited to this. Depending on the case or conditions, the various transistors, the channel formation region of the transistor, the source/drain region of the transistor, or the like in one embodiment of the present invention may include various semiconductors. Depending on circumstances or conditions, various transistors, channel formation regions of transistors, source/drain regions of transistors, and the like in one embodiment of the present invention include, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium. At least one of arsenic, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor may be included. Alternatively, for example, in some cases or in some cases, various transistors in one embodiment of the present invention, a channel formation region of the transistor, a source/drain region of the transistor, or the like do not include an oxide semiconductor. Good.

本実施例では、本発明の一態様に係るトランジスタについてデバイスシミュレーションを行い、トランジスタの電気特性の確認を行った。  In this example, device simulation was performed on the transistor of one embodiment of the present invention, and the electrical characteristics of the transistor were confirmed.

本実施例では、上記実施の形態で示した、トランジスタ10に対応させてモデル11を作成し、モデル11に対してデバイスシミュレーションを行う。図26(A)(B)にモデル11の断面図を示す。図26(A)は上記実施の形態に示す図1(B)に対応しており、モデル11のチャネル長方向の断面図である。また、図26(B)は上記実施の形態に示す図1(C)に対応しており、モデル11のチャネル長方向に垂直な断面図である。  In this example, a model 11 is created corresponding to the transistor 10 shown in the above embodiment, and device simulation is performed on the model 11. 26A and 26B are cross-sectional views of the model 11. FIG. 26A corresponds to FIG. 1B described in the above embodiment and is a cross-sectional view of the model 11 in the channel length direction. Further, FIG. 26B corresponds to FIG. 1C described in the above embodiment and is a cross-sectional view of the model 11 which is perpendicular to the channel length direction.

ただし、トランジスタ10とは異なり、図26(A)に示すように、半導体106bのチャネル長方向の両端に低抵抗領域106c及び低抵抗領域106dが設けられており、さらに低抵抗領域106cの外側に導電体108aが設けられ、低抵抗領域106dの外側に導電体108bが設けられている。また、絶縁体112は、図26(B)に示すように、導電体114の内側及び外側に連続して設けられており、導電体114の内側に設けられた部分は導電体114及び導電体102に対するゲート絶縁膜として機能する。  However, unlike the transistor 10, as illustrated in FIG. 26A, a low resistance region 106c and a low resistance region 106d are provided at both ends in the channel length direction of the semiconductor 106b, and further outside the low resistance region 106c. The conductor 108a is provided, and the conductor 108b is provided outside the low resistance region 106d. As shown in FIG. 26B, the insulator 112 is continuously provided inside and outside the conductor 114, and a portion provided inside the conductor 114 is the conductor 114 and the conductor. It functions as a gate insulating film for 102.

ここで、絶縁体106aはIGZO(134)を想定し、半導体106bはIGZO(111)を想定した。また、低抵抗領域106c及び低抵抗領域106dは半導体にドナーを添加してドナー密度1.0×1019/cmとしたものを想定した。Here, the insulator 106a is assumed to be IGZO (134), and the semiconductor 106b is assumed to be IGZO (111). Further, the low resistance region 106c and the low resistance region 106d are assumed to have a donor density of 1.0×10 19 /cm 3 by adding a donor to the semiconductor.

計算は、Silvaco社デバイスシミュレータATLAS3Dを用いた。主な計算条件としては、チャネル長L(図26に示す導電体114の幅)を30nmとし、半導体106bの半径を10nmとし、絶縁体106aの膜厚を5nmとし、導電体114の膜厚を10nmとし、導電体102の膜厚を2nmとした。また、絶縁体112において、絶縁体106aと導電体114の間の膜厚は12nmとし、絶縁体106aと導電体102の間の膜厚は5nmとし、導電体114より外側の膜厚は10nmとした。また、以下の表1に、計算に用いた詳細なパラメータを示す。なお、表1において、伝導帯状態密度(Nc)は伝導帯下端における状態密度を示し、価電子帯状態密度(Nc)は価電子帯上端における状態密度を示す。  For the calculation, a device simulator ATLAS3D manufactured by Silvaco was used. As main calculation conditions, the channel length L (width of the conductor 114 shown in FIG. 26) is 30 nm, the radius of the semiconductor 106b is 10 nm, the film thickness of the insulator 106a is 5 nm, and the film thickness of the conductor 114 is The thickness of the conductor 102 was set to 10 nm and the thickness of the conductor 102 was set to 2 nm. In the insulator 112, the film thickness between the insulator 106a and the conductor 114 is 12 nm, the film thickness between the insulator 106a and the conductor 102 is 5 nm, and the film thickness outside the conductor 114 is 10 nm. did. Further, Table 1 below shows detailed parameters used in the calculation. In Table 1, the conduction band density of states (Nc) indicates the density of states at the bottom of the conduction band, and the valence band density of states (Nc) indicates the density of states at the top of the valence band.

Figure 0006698649
Figure 0006698649

モデル11は、トランジスタ10と同様に、半導体106b、絶縁体106a、絶縁体112、導電体102、導電体114、導電体108a及び導電体108bを有する。ここで、半導体106bは活性層として機能し、絶縁体112は導電体104及び導電体102に対するゲート絶縁膜として機能し、導電体114はゲート電極として機能し、導電体102はバックゲート電極として機能し、導電体108aはソース電極として機能し、導電体108bはドレイン電極として機能する。  Like the transistor 10, the model 11 includes a semiconductor 106b, an insulator 106a, an insulator 112, a conductor 102, a conductor 114, a conductor 108a, and a conductor 108b. Here, the semiconductor 106b functions as an active layer, the insulator 112 functions as a gate insulating film for the conductors 104 and 102, the conductor 114 functions as a gate electrode, and the conductor 102 functions as a back gate electrode. However, the conductor 108a functions as a source electrode, and the conductor 108b functions as a drain electrode.

デバイスシミュレーションを行って得たId−Vg特性(ドレイン電流−ゲート電圧特性)を図27に示す。図27において、横軸にゲート電圧Vg[V]、縦軸にドレイン電流Id[A]をとる。Id−Vg特性の計算は、バックゲート電圧Vbgを−3Vにした場合と、Vbgを0Vにした場合について行った。それぞれにおいて、ドレイン電圧を0.1Vとし、ゲート電圧を−3.0Vから3.0Vまで掃引させている。  FIG. 27 shows Id-Vg characteristics (drain current-gate voltage characteristics) obtained by performing device simulation. In FIG. 27, the horizontal axis represents the gate voltage Vg [V] and the vertical axis represents the drain current Id [A]. The calculation of the Id-Vg characteristics was performed when the back gate voltage Vbg was set to -3V and when Vbg was set to 0V. In each case, the drain voltage is set to 0.1V and the gate voltage is swept from -3.0V to 3.0V.

図27に示すように、バックゲート電圧を印加していない(Vbg=0V)ときは、Vg=0Vにおいてトランジスタが導通状態となっているが、Vbg=−3Vにしたときは、Vg=0Vにおいてトランジスタが非導通状態となっている。このように、バックゲート電圧を印加することにより、ノーマリーオフ型のId−Vg特性が得られることが示された。  As shown in FIG. 27, when the back gate voltage is not applied (Vbg=0V), the transistor is in a conductive state at Vg=0V, but when Vbg=-3V, at Vg=0V. The transistor is off. As described above, it was shown that the normally-off type Id-Vg characteristics can be obtained by applying the back gate voltage.

このように、半導体106bを囲むようにゲート電極としての機能を有する導電体114を設け、バックゲートとして機能する導電体102を設けることにより、チャネル長が短い構造のトランジスタにおいても、ノーマリーオフの電気特性を与えることができる。  In this manner, by providing the conductor 114 having a function as a gate electrode so as to surround the semiconductor 106b and the conductor 102 functioning as a back gate, normally-off even in a transistor having a short channel length. It can give electrical characteristics.

10 トランジスタ
10a トランジスタ
10b トランジスタ
10c トランジスタ
10d トランジスタ
10e トランジスタ
11 モデル
14 トランジスタ
50 トランジスタ
50a トランジスタ
102 導電体
104 導電体
106a 絶縁体
106b 半導体
106c 低抵抗領域
106d 低抵抗領域
108a 導電体
108b 導電体
112 絶縁体
114 導電体
150 基板
151 絶縁体
152 導電体
156a 絶縁体
156b 半導体
156c 絶縁体
156d 絶縁体
156e 絶縁体
156f 絶縁体
157 絶縁体
158a 導電体
158b 導電体
158c 導電体
158d 導電体
158e 導電体
158f 導電体
162 絶縁体
162a 絶縁体
162b 絶縁体
162c 絶縁体
162d 絶縁体
162e 絶縁体
162f 絶縁体
162g 絶縁体
162h 絶縁体
164a 導電体
164b 導電体
167 絶縁体
800 インバータ
810 OSトランジスタ
820 OSトランジスタ
831 信号波形
832 信号波形
840 破線
841 実線
850 OSトランジスタ
860 CMOSインバータ
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
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3006 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
3500 トランジスタ
4001 配線
4003 配線
4005 配線
4006 配線
4007 配線
4008 配線
4009 配線
4021 層
4022 層
4023 層
4100 トランジスタ
4200 トランジスタ
4300 トランジスタ
4400 トランジスタ
4500 容量素子
4600 容量素子
10 transistor 10a transistor 10b transistor 10c transistor 10d transistor 10e transistor 11 model 14 transistor 50 transistor 50a transistor 102 conductor 104 conductor 106a insulator 106b semiconductor 106c low resistance region 106d low resistance region 108a conductor 108b conductor 112 insulator 114 conductivity Body 150 Substrate 151 Insulator 152 Conductor 156a Insulator 156b Semiconductor 156c Insulator 156d Insulator 156e Insulator 156f Insulator 157 Insulator 158a Conductor 158b Conductor 158c Conductor 158d Conductor 158e Conductor 158f Conductor 162 Insulator 162a Insulator 162b Insulator 162c Insulator 162d Insulator 162e Insulator 162f Insulator 162g Insulator 162h Insulator 164a Conductor 164b Conductor 167 Insulator 800 Inverter 810 OS transistor 820 OS transistor 831 Signal waveform 832 Signal waveform 840 Dashed line 841 Solid line 850 OS transistor 860 CMOS inverter 901 Housing 902 Housing 903 Display 904 Display 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 911 Housing 912 Housing 913 Display 914 Display 915 Connection 916 Operation key 921 Housing 922 Display unit 923 Keyboard 924 Pointing device 931 Housing 932 Refrigerating room door 933 Freezing room door 941 Housing 942 Housing 943 Display unit 944 Operation keys 945 Lens 946 Connection unit 951 Body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 1189 ROM interface 1190 Board 1191 ALU
1192 ALU controller 1193 Instruction decoder 1194 Interrupt controller 1195 Timing controller 1196 Register 1197 Register controller 1198 Bus interface 1199 ROM
1200 storage element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitance element 1208 capacitance element 1209 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1220 circuit 2100 transistor 2200 transistor 3001 wiring 3002 wiring 3003 wiring 3004 wiring 3005 wiring 3006 wiring 3200 transistor 3300 transistor 3400 Capacitance element 3500 Transistor 4001 Wiring 4003 Wiring 4005 Wiring 4006 Wiring 4007 Wiring 4008 Wiring 4009 Wiring 4021 Layer 4022 Layer 4023 Layer 4100 Transistor 4200 Transistor 4300 Transistor 4400 Transistor 4500 Capacitive element 4600 Capacitive element

Claims (10)

環状に設けられた第1の導電体と、
前記第1の導電体の環の内側を通して伸長した領域を有する酸化物半導体と、
前記第1の導電体と、前記酸化物半導体との間に設けられた第1の絶縁体と、
前記第1の導電体と、前記第1の絶縁体との間に設けられた第2の絶縁体と、
前記第1の導電体の環の内側を通して設けられた第2の導電体と、を有し、
前記第2の導電体は、前記第2の絶縁体中に設けられる半導体装置。
A first conductor provided in a ring,
An oxide semiconductor having a region extending through the inside of the ring of the first conductor;
A first insulator provided between the first conductor and the oxide semiconductor;
A second insulator provided between the first conductor and the first insulator;
A second conductor provided through the inside of the ring of the first conductor,
A semiconductor device in which the second conductor is provided in the second insulator.
請求項1において、
前記酸化物半導体に接して、前記第1の導電体を間に挟んで設けられた第3の導電体及び第4の導電体と、をさらに有し、
前記第3の導電体と前記第4の導電体の間の距離は2nm以上30nm以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
A third conductor and a fourth conductor which are in contact with the oxide semiconductor and are sandwiched by the first conductor; and
The distance between the said 3rd conductor and the said 4th conductor is 2 nm or more and 30 nm or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体の伸長方向に略垂直な面における断面形状は、略円形状であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
A cross-sectional shape of a plane substantially perpendicular to the extending direction of the oxide semiconductor is a substantially circular shape.
請求項1または請求項2において、
前記酸化物半導体の伸長方向に略垂直な面における断面形状は、略多角形状であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
A cross-sectional shape of a plane substantially perpendicular to the extending direction of the oxide semiconductor is a substantially polygonal shape.
請求項1または請求項2において、
前記半導体装置は、基板上に設けられており、
前記基板の上面は、前記酸化物半導体の伸長方向に略平行であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor device is provided on a substrate,
The upper surface of the substrate is substantially parallel to the extension direction of the oxide semiconductor.
請求項1または請求項2において、
前記半導体装置は、基板上に設けられており、
前記基板の上面は、前記酸化物半導体の伸長方向に略垂直であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor device is provided on a substrate,
The semiconductor device, wherein the upper surface of the substrate is substantially perpendicular to the extending direction of the oxide semiconductor.
請求項1または請求項2において、
前記第1の絶縁体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)及び亜鉛のうち少なくとも一以上を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor device, wherein the first insulator contains at least one of indium, an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf) and zinc.
基板上に、第1の方向に伸長して設けられた第1の導電体と、
前記第1の導電体上に設けられた第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体上に設けられた、開口を有する第2の絶縁体と、
前記第2の絶縁体に形成された開口の中に、前記第1の方向に略垂直である第2の方向に伸長して設けられた第2の導電体と
前記第2の絶縁体及び前記第2の導電体上に設けられた第3の絶縁体と、
前記第3の絶縁体上に設けられた第4の絶縁体と、
前記第3の絶縁体上に、前記第4の絶縁体を間に挟んで設けられた第3の導電体及び第4の導電体と、
前記第4の絶縁体、前記第3の導電体及び前記第4の導電体の上面に接して、第2の方向に伸長して設けられた酸化物半導体と、
前記酸化物半導体の上面及び側面と、前記第3の導電体の側面に接して、第5の絶縁体を間に挟んで第6の導電体と対向して設けられた第5の導電体と、
前記酸化物半導体の上面及び側面と、前記第4の導電体の側面に接して、第5の絶縁体を間に挟んで前記第5導電体と対向して設けられた前記第6の導電体と、
前記第5の導電体及び前記第6の導電体上に設けられ、前記第5の導電体と前記第6の導電体の間に開口を有する第6の絶縁体と、
前記酸化物半導体の上面、前記第5の導電体及び前記第6の導電体の側面、前記第6の絶縁体の側面と接して設けられた前記第5の絶縁体と、
前記第5の絶縁体の上面に接して設けられた第7の絶縁体と、
前記第7の絶縁体の上面に接して設けられた第7の導電体と、を有し、
前記第1の方向に略垂直な面の断面において、
前記第4の絶縁体と前記第5の絶縁体は、前記酸化物半導体を囲むように設けられ、
前記第3の絶縁体と前記第7の絶縁体は、前記第4の絶縁体、前記酸化物半導体及び前記第5の絶縁体を囲むように設けられ、
前記第1の導電体と前記第7の導電体は、前記第1乃至第3の絶縁体及び前記第7の絶縁体を囲むように設けられることを特徴とする半導体装置。
A first conductor extending on the substrate in a first direction;
A first insulator provided on the first conductor;
A second insulator provided on the first insulator and having an opening;
A second conductor provided in the opening formed in the second insulator so as to extend in a second direction that is substantially perpendicular to the first direction, the second insulator, and the second insulator. A third insulator provided on the second conductor,
A fourth insulator provided on the third insulator,
A third conductor and a fourth conductor provided on the third insulator with the fourth insulator interposed therebetween;
An oxide semiconductor provided in contact with the upper surfaces of the fourth insulator, the third conductor, and the fourth conductor and extending in the second direction,
A fifth conductor provided in contact with an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor and a side surface of the third conductor and facing the sixth conductor with a fifth insulator interposed therebetween; ,
The sixth conductor provided in contact with the upper surface and the side surface of the oxide semiconductor and the side surface of the fourth conductor, and facing the fifth conductor with a fifth insulator interposed therebetween. When,
A sixth insulator provided on the fifth conductor and the sixth conductor and having an opening between the fifth conductor and the sixth conductor;
An upper surface of the oxide semiconductor, side surfaces of the fifth conductor and the sixth conductor, and a fifth insulator provided in contact with a side surface of the sixth insulator;
A seventh insulator provided in contact with the upper surface of the fifth insulator,
A seventh conductor provided in contact with the upper surface of the seventh insulator,
In a cross section of a plane substantially perpendicular to the first direction,
The fourth insulator and the fifth insulator are provided so as to surround the oxide semiconductor,
The third insulator and the seventh insulator are provided so as to surround the fourth insulator, the oxide semiconductor, and the fifth insulator,
The semiconductor device, wherein the first conductor and the seventh conductor are provided so as to surround the first to third insulators and the seventh insulator.
請求項8において、
前記第4の絶縁体及び前記第5の絶縁体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)及び亜鉛のうち少なくとも一以上を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 8,
The fourth insulator and the fifth insulator include at least one or more of indium, an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn or Hf) and zinc. Semiconductor device.
請求項1、請求項2、請求項8及び請求項9のいずれか一において、
前記酸化物半導体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)、亜鉛および酸素を有することを特徴とする半導体装置。
In any one of claim 1, claim 2, claim 8 and claim 9,
The semiconductor device, wherein the oxide semiconductor contains indium, elements M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf), zinc, and oxygen.
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