JP6716737B2 - Transistor - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシ
ン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特
に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それら
の駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture or composition (composition of matter). In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a storage device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる
装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は、半導体装置の一態様である。また、演算
装置、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池
等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。
Note that in this specification and the like, a semiconductor device generally means a device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one mode of a semiconductor device. Further, the arithmetic device, the storage device, the imaging device, the electro-optical device, the power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like), and the electronic device may include a semiconductor device.

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

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

また、半導体材料を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジ
スタは集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバ
イスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体材料としてシリコン系半導
体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
In addition, a technique for forming a transistor using a semiconductor material has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (also simply referred to as a display device). Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor materials applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.

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

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

特開2007−123861号公報JP, 2007-123861, A 特開2007−96055号公報JP, 2007-96055, A

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

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

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

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

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の
一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課
題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
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. The problems other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc.
Problems other than these can be extracted from the drawings, claims and the like.

本発明の一態様は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有する酸化物半導体膜であっ
て、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの少なくとも一つ
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番
に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標ないし第6の座標を含み
、第7の座標および第8の座標を含まず、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用
いて、酸化物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相
対的に移動させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した
場合において、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の
電子回折パターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パター
ンを有する割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1
の電子回折パターンは、対称性を有さない観測点、または円を描くように配置された複数
の観測点を有し、第2の電子回折パターンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸
化物半導体膜である。
One embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film containing indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin. The ratio of the numbers of atoms of indium, indium, element M and zinc is indium:element M.
:Zinc=x:y:z is satisfied, and x, y and z are the first coordinates (x:y:z=8:14) in the equilibrium diagram having three elements of indium, element M and zinc as vertices. : 7), second coordinates (x:y:z=2:4:3), third coordinates (x:y:z=2:5:7), and fourth coordinates (x: y:z=51:149:300) and the fifth coordinate (x:y:z=46:288)
: 833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x:y:z=
0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are sequentially connected by a line segment, and the ratio of the number of atoms in the range is And the range includes the first coordinate to the sixth coordinate, does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate, and uses an electron beam having a half-value width of the probe diameter of 1 nm. When a plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating the electron beam while moving the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam relative to the formation surface of the The pattern has 50 or more electron diffraction patterns observed at different positions, and has a ratio of the first electron diffraction pattern to the 50 or more electron diffraction patterns and a second electron diffraction pattern. The sum of the proportions is 100%, and the first
The electron diffraction pattern of has an observation point having no symmetry or a plurality of observation points arranged so as to draw a circle, and the second electron diffraction pattern has an observation point located at the apex of the hexagon. The oxide semiconductor film has.

または、本発明の一態様は、プローブ径の半値幅が1nmである電子線を用いて、酸化
物半導体膜の被形成面に対して、酸化物半導体膜の位置と電子線の位置とを相対的に移動
させながら電子線を照射することにより、複数の電子回折パターンを観測した場合におい
て、複数の電子回折パターンは、互いに異なる箇所で観測された50個以上の電子回折パ
ターンを有し、50個以上の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する
割合と、第2の電子回折パターンを有する割合の和が、100%であり、第1の電子回折
パターンを有する割合は50%以上であり、第1の電子回折パターンは、対称性を有さな
い観測点、または円を描くように配置された複数の観測点を有し、第2の電子回折パター
ンは、六角形の頂点に位置する観測点を有する酸化物半導体膜である。
Alternatively, according to one embodiment of the present invention, the position of the oxide semiconductor film and the position of the electron beam are relative to the formation surface of the oxide semiconductor film by using an electron beam having a half-width of the probe diameter of 1 nm. When a plurality of electron diffraction patterns are observed by irradiating an electron beam while moving the same, the plurality of electron diffraction patterns have 50 or more electron diffraction patterns observed at different positions. The sum of the proportion having the first electron diffraction pattern and the proportion having the second electron diffraction pattern is 100%, and the proportion having the first electron diffraction pattern is 50%. As described above, the first electron diffraction pattern has observation points having no symmetry or a plurality of observation points arranged so as to draw a circle, and the second electron diffraction pattern has a hexagonal vertex. The oxide semiconductor film has an observation point located at.

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

また上記構成において、酸化物半導体膜は、インジウムと、元素Mと、亜鉛と、を有し
、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの少なくとも一つから
選ばれた元素であり、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M
:亜鉛=x:y:zを満たし、x、y及びzはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素
を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の
座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の
座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288
:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=
0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標を、順番に
線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、範囲は、第1の座標乃至第6の座標を含み、第
7の座標および第8の座標を含まないことが好ましい。
In the above structure, the oxide semiconductor film contains indium, an element M, and zinc, and the element M is an element selected from at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin. , The number of atoms of element M and zinc is indium:element M.
:Zinc=x:y:z is satisfied, and x, y and z are the first coordinates (x:y:z=8:14) in the equilibrium diagram having three elements of indium, element M and zinc as vertices. : 7), second coordinates (x:y:z=2:4:3), third coordinates (x:y:z=2:5:7), and fourth coordinates (x: y:z=51:149:300) and the fifth coordinate (x:y:z=46:288)
: 833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x:y:z=
0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are sequentially connected by a line segment, and the ratio of the number of atoms in the range is included. However, it is preferable that the range includes the first coordinate to the sixth coordinate and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate.

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

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

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

または、本発明の一態様は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する酸化物半導
体膜であって、酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、複数の結晶部は、配向性を有さ
ず、複数の結晶部の長手方向の径の平均は、1nm以上3nm以下であり、酸化物半導体
膜の密度は、5.7g/cm以上6.49g/cm以下である酸化物半導体膜である
。また上記構成において、酸化物半導体膜の密度は、同じ原子数比を有する単結晶の密度
の90%以上であることが好ましい。
Alternatively, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film containing indium, gallium, and zinc, the oxide semiconductor film having a plurality of crystal parts, and the plurality of crystal parts having an orientation property. the no, the average longitudinal diameter of the plurality of crystal parts is at 1nm or more 3nm or less, the density of the oxide semiconductor film is 5.7 g / cm 3 or more 6.49 g / cm 3 or less oxide It is a semiconductor film. In the above structure, the density of the oxide semiconductor film is preferably 90% or more of the density of a single crystal having the same atomic number ratio.

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

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

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

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

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

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

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

また、ばらつきの少ないトランジスタを提供することができる。また、保持特性の良好
な記憶素子を有する半導体装置を提供することができる。また、微細化に適した半導体装
置を提供することができる。また、回路面積を縮小した半導体装置を提供することができ
る。また、新規な構成の半導体装置を提供することができる。なお、これらの効果の記載
は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これら
の効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項な
どの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、
これら以外の効果を抽出することが可能である。
In addition, a transistor with less variation can be provided. In addition, a semiconductor device having a memory element with favorable retention characteristics can be provided. Further, a semiconductor device suitable for miniaturization can be provided. Further, a semiconductor device with a reduced circuit area can be provided. In addition, a semiconductor device having a novel structure can be provided. Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and from the description of the specification, drawings, claims, etc.,
It is possible to extract effects other than these.

本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。7A and 7B are diagrams illustrating the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。7A and 7B are diagrams illustrating the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 原子数比を説明する図。The figure explaining atomic number ratio. 本発明の一態様に係る酸化物膜の原子数比を説明する図。7A and 7B are diagrams illustrating the atomic ratio of an oxide film according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るターゲットの原子数比を説明する図。6A and 6B each illustrate an atomic ratio of a target according to one embodiment of the present invention. 原子数比を説明する図。The figure explaining atomic number ratio. 酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図、および透過電子回折測定装置の一例を示す図。7A and 7B are diagrams illustrating a nanobeam electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film and an example of a transmission electron diffraction measurement apparatus. nc−OSのX線回折装置による解析結果を示す図。The figure which shows the analysis result by the X-ray-diffraction apparatus of nc-OS. nc−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS. InGaZnOの結晶を説明する図。FIG. 8 illustrates a crystal of InGaZnO 4 . 本発明の一態様に係るトランジスタの一部のバンド構造を示す図。6A and 6B each illustrate a part of a band structure of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of a transistor of one embodiment of the present invention. CAAC−OSおよびnc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of CAAC-OS and nc-OS. CAAC−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of CAAC-OS. CAAC−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of CAAC-OS. nc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of nc-OS. nc−OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of nc-OS. CAAC−OSおよびnc−OSのCs補正高分解能断面TEM像によって観測されたペレットサイズと、その頻度を示す図。The figure which shows the pellet size observed by the Cs correction|amendment high-resolution cross-sectional TEM image of CAAC-OS and nc-OS, and its frequency. ターゲットの原子数比と酸化物半導体膜の原子数比の関係を示す図。16A and 16B are graphs each showing the relation between the atomic ratio of a target and the atomic ratio of an oxide semiconductor film. nc−OSの成膜モデルを説明する模式図、およびペレットを示す図。The schematic diagram explaining the film-forming model of nc-OS, and the figure which shows a pellet. 成膜装置を説明する模式図。The schematic diagram explaining a film-forming apparatus. 表示装置を説明するブロック図及び回路図。3A and 3B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a display device. 実施の形態に係る、表示モジュールの図。FIG. 6 is a diagram of a display module according to an embodiment. 実施の形態に係る、RFタグの構成例。3 is a configuration example of an RF tag according to an embodiment. トランジスタの一例を示す図。FIG. 10 illustrates an example of a transistor. 本発明の一態様に係るトランジスタの一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of 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一例を示す図。6A and 6B each illustrate an example of a transistor of one embodiment of the present invention. 表示装置の一態様を示す上面図。FIG. 6 is a top view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 表示装置の一態様を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of a display device. 実施の形態に係る、回路図。FIG. 3 is a circuit diagram according to an embodiment. 本発明の一態様に係る半導体装置の一例を示す図。FIG. 6 illustrates an example of 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の作製方法を示す図。6A to 6D are diagrams illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。6A to 6D are diagrams illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。6A to 6D are diagrams illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。6A to 6D are diagrams illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る酸化物半導体膜のXRD評価結果。16A and 16B are XRD evaluation results of an oxide semiconductor film according to one embodiment of the present invention. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の電子回折パターン。11A is an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のTDS分析結果。17A and 17B show results of TDS analysis of an oxide semiconductor film. 電子線照射による結晶の変化を示す図。The figure which shows the change of the crystal|crystallization by electron beam irradiation. 実施の形態に係る、RFタグの使用例。An example of using the RF tag according to the embodiment. 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment. 酸化物半導体膜の膜密度を示す図。6A and 6B are graphs showing film densities of oxide semiconductor films. 酸化物半導体膜のエッチングレートを示す図。FIG. 10 is a graph showing an etching rate of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の脱離ガスの放出量を示す図。FIG. 6 is a graph showing the amount of released gas from an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。FIG. 10 is a graph showing hydrogen concentration of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。16A and 16B each show a crystal size of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜の結晶サイズを示す図。16A and 16B each show a crystal size of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。16A and 16B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。16A and 16B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film. 酸化物半導体膜のCPM測定結果を示す図。16A and 16B show CPM measurement results of an oxide semiconductor film. a−like OSのCs補正高分解能断面TEM像を示す図。The figure which shows the Cs correction|amendment high resolution cross-section TEM image of a-like OS. 酸化物半導体膜の水素濃度を示す図。FIG. 10 is a graph showing hydrogen concentration of an oxide semiconductor film.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定
されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更
し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態
の記載内容に限定して解釈されるものではない。
Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.

なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には
同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様
の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
Note that, in the structure of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated description thereof is omitted. Further, when referring to the same function, the hatch patterns may be the same and may not be given a reference numeral in particular.

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

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

また、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度
で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「
略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう
。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状
態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
Further, in this 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. Also,"
“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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また図6に四角のシンボルで示す座標は、非特許文献1に記載されているように、例え
ばIn、Ga、及びZnOの粉末を混合し、1350℃で焼成した場合に、
スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。図6に示すように
ZnGaの近傍の組成、つまりx,y及びzが(x,y,z)=(0,2,1)に
近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすいことが非
特許文献1に記載されている。
Further, the coordinates indicated by square symbols in FIG. 6 are, for example, as described in Non-Patent Document 1, when In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , and ZnO powders are mixed and fired at 1350° C. ,
It is a composition known to easily mix spinel type crystal structures. As shown in FIG. 6, when the composition in the vicinity of ZnGa 2 O 4 , that is, x, y and z have values close to (x, y, z)=(0, 2, 1), a spinel type crystal is formed. Non-Patent Document 1 describes that structures are likely to be formed or mixed.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に略垂直な方向からX線を入射させるin−pl
ane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは
、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化
物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)と
して試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に
帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを5
6°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
On the other hand, the in-pl which makes X-rays incident on the CAAC-OS film from a direction substantially perpendicular to the c-axis
In the analysis by the ane method, a peak may appear near 2θ of 56°. This peak is assigned to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of an InGaZnO 4 single crystal oxide semiconductor film, if 2θ is fixed at around 56° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), ( Six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of the CAAC-OS film, 2θ is 5
No clear peak appears even when φ scan is performed with the angle fixed at around 6°.

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

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

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

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane
法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現
れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向
性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍
にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
Note that an out-of-plane of a CAAC-OS film including a crystal of InGaZnO 4 is used.
In the analysis by the method, in addition to the peak near 2θ of 31°, a peak may appear near 2θ of 36°. The peak near 2θ of 36° indicates that a part of the CAAC-OS film contains a crystal having no c-axis orientation. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31° and no peak at 2θ of around 36°.

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

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

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

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

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

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

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

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

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる
領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体
膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大
きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の
微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、n
c−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor
)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に
確認できない場合がある。
The microcrystalline oxide semiconductor film has a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. The crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film is often 1 nm to 100 nm inclusive, or 1 nm to 10 nm inclusive. In particular, an oxide semiconductor film having nanocrystals (nc: nanocrystals) of 1 nm or more and 10 nm or less, or 1 nm or more and 3 nm or less is used.
c-OS (nano crystalline Oxide Semiconductor)
) Call it a membrane. Further, in the nc-OS film, for example, in a high-resolution TEM image, crystal grain boundaries may not be clearly confirmed in some cases.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、out−of−
plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物
半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターン
が観測される。
Structural analysis of the amorphous oxide semiconductor film using an XRD apparatus revealed that out-of-
In the analysis by the plane method, the peak indicating the crystal plane is not detected. In addition, a halo pattern is observed when electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film. When nanobeam electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.

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

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

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

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

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

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

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

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

なお、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能
TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnOの結晶は層状構造を有し
、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnOの結晶の単位格
子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に
層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面
の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29n
mと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間
隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がIn
GaZnOの結晶のa−b面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域にお
ける最大長を、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさとする。なお
、結晶部の大きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。
Note that the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using a high-resolution TEM image. For example, a crystal of InGaZnO 4 has a layered structure and includes two Ga—Zn—O layers between In—O layers. The unit cell of the InGaZnO 4 crystal has a structure in which three layers of In—O layers and six layers of Ga—Zn—O layers, nine layers in total, are layered in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is about the same as the lattice distance (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is 0.29 n from crystal structure analysis.
m is required. Therefore, paying attention to the lattice fringes in the high-resolution TEM image, each lattice fringe is In when the lattice fringe spacing is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less.
It was considered to correspond to the ab plane of the GaZnO 4 crystal. The maximum length in the region where the lattice fringes are observed is the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film. The size of the crystal part is 0.8 nm or more, and is selectively evaluated.

また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の78.6%以上92.3%未満となる。
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 the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能
となる場合がある。
When such a measuring method is used, it may be possible to analyze the structure of the oxide semiconductor film having a plurality of structures.

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[成膜モデル]
以下では、nc−OSの成膜モデルについて説明する。
[Deposition model]
Below, the film-forming model of nc-OS is demonstrated.

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

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

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

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

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

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

ペレットは、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。ペレットの厚さは、均一に
することが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあ
るサイコロ状であるよりも好ましい。
The thickness of the pellet is determined according to the type of film forming gas. The thickness of the pellets is preferably uniform. Further, it is preferable that the sputtered particles are in the form of pellets having a small thickness, rather than in the form of dice having a large thickness.

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

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

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

このようなモデルによってnc−OSが成膜されるため、スパッタ粒子が厚みのないペ
レット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、
基板5120上に向けるスパッタ粒子の面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にで
きない場合がある。
Since the nc-OS is formed by such a model, it is preferable that the sputtered particles are in the form of pellets having no thickness. If the sputtered particles are thick dice,
In some cases, the surface of the sputtered particles facing the substrate 5120 is not constant, and the thickness and crystal orientation cannot be uniform.

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

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

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

また、例えば図25に示すように、チャンバー内の雰囲気を好ましくは室温以上500
℃以下、より好ましくは200℃以上400℃以下で加熱してもよい。雰囲気の加熱には
、例えばハロゲンランプ等のランプ5140を用いればよい。雰囲気の加熱により、例え
ばチャンバー内を飛翔するペレットが加熱され、欠陥が減少する可能性がある。また、ペ
レットサイズが増加する可能性がある。また、雰囲気の加熱により、例えばチャンバー内
の水分が蒸発しやすくなり、真空度をより高めることができる。
In addition, as shown in FIG. 25, for example, the atmosphere in the chamber is preferably room temperature or above 500
The heating may be performed at a temperature of not higher than 0°C, more preferably not lower than 200°C and not higher than 400°C. A lamp 5140 such as a halogen lamp may be used for heating the atmosphere. By heating the atmosphere, for example, pellets flying in the chamber are heated, and defects may be reduced. In addition, the pellet size may increase. Further, by heating the atmosphere, for example, water in the chamber is easily evaporated, and the degree of vacuum can be further increased.

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

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

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

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

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

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

計算の結果、第1の面の劈開エネルギーは2.60J/m、第2の面の劈開エネルギ
ーは0.68J/m、第3の面の劈開エネルギーは2.18J/m、第4の面の劈開
エネルギーは2.12J/mであることがわかった(下表参照。)。
As a result of the calculation, the cleavage energy of the first surface is 2.60 J/m 2 , the cleavage energy of the second surface is 0.68 J/m 2 , and the cleavage energy of the third surface is 2.18 J/m 2 . It was found that the cleavage energy of the surface of No. 4 was 2.12 J/m 2 (see the table below).

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

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

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

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

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

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

ここで、概略同じ原子数比とは、例えば、互いの有する原子数比の差が10%以内であ
ることを指す。
Here, the atom number ratios that are substantially the same indicate that the difference in the atom number ratios possessed by each other is within 10%.

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

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

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

酸化物半導体膜を成膜するための一般的な手法としては、例えばスパッタリング法、化
学気相堆積(CVD)法(有機金属化学堆積(MOCVD)法、原子層成膜(ALD)法
あるいはプラズマ化学気相堆積(PECVD)法を含む)、真空蒸着法またはパルスレー
ザー堆積(PLD)法などが挙げられる。
As a general method for forming an oxide semiconductor film, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or plasma chemistry) is used. A vapor phase deposition (including PECVD) method, a vacuum vapor deposition method, a pulse laser deposition (PLD) method and the like can be mentioned.

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

またターゲットは多結晶のIn−M−Zn酸化物を有することが好ましい。例えば、多
結晶のIn−M−Zn酸化物を有するターゲットを用いた場合には、ターゲットが劈開性
を有し、nc−OS膜を形成しやすい可能性があり、より好ましい。
Further, the target preferably has a polycrystalline In-M-Zn oxide. For example, when a target including a polycrystalline In-M-Zn oxide is used, the target has a cleavage property and an nc-OS film may be easily formed, which is more preferable.

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

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

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

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

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

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

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

本発明の一態様である酸化物半導体膜は、複数の膜を積層してもよい。また複数の膜の
それぞれのnc比率及びCAAC比率が異なってもよい。また、積層された複数の膜のう
ち、少なくとも一層の膜は、高いnc比率を有することが好ましい。例えば、nc比率は
30%以上が好ましく、50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、積層
された複数の膜のうち、少なくとも一層の膜は、nc比率とCAAC比率の和が80%以
上であることが好ましく、90%以上100%以下であることが好ましく、95%以上1
00%以下であることが好ましく、98%以上100%以下であることが好ましく、99
%以上100%以下であることがより好ましい。
For the oxide semiconductor film which is one embodiment of the present invention, a plurality of films may be stacked. Further, the nc ratio and the CAAC ratio of each of the plurality of films may be different. Moreover, it is preferable that at least one layer of the plurality of stacked layers has a high nc ratio. For example, the nc ratio is preferably 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 80% or more. In addition, the sum of the nc ratio and the CAAC ratio of at least one of the laminated films is preferably 80% or more, more preferably 90% or more and 100% or less, and 95% or more 1.
It is preferably not more than 00%, more preferably not less than 98% and not more than 100%,
% Or more and 100% or less is more preferable.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

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

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

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

絶縁膜114の上面はCMP(Chemical Mechanical Polis
hing)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。
The upper surface of the insulating film 114 has a CMP (Chemical Mechanical Polis).
Hing) method or the like is preferably used for flattening.

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

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

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用い
ることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、酸化
アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリ
ウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いる事ができ
る。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素
の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の
含有量が多い材料を示す。
For example, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used as such a material. Alternatively, a metal oxide can be used. As the metal oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, or the like can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material whose content of oxygen is higher than that of nitrogen as its composition, and silicon oxynitride is a material whose content of nitrogen is higher than that of oxygen as its composition. Indicates.

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

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

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

なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は
、1×1017/cm未満、1×1015/cm未満、または1×1013/cm
未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特
性を付与することができる。
Note that in this specification and the like, when substantially referred to as intrinsic, the carrier density of the oxide semiconductor layer is less than 1×10 17 /cm 3, less than 1×10 15 /cm 3 , or 1×10 13 /cm 3.
Is less than. By making the oxide semiconductor layer highly purified and intrinsic, stable electrical characteristics can be given to the transistor.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ここで、絶縁体層101a、半導体層101b及び絶縁体層101cがIn−M−Zn
酸化物である場合を考える。絶縁体層101aが有するIn、元素M及びZnの原子数比
をx、y及びzとする。同様に、半導体層101bが有するIn、元素M及びZn
の原子数比をx、y及びzとする。同様に、絶縁体層101cが有するIn、元素
M及びZnの原子数比をx、y及びzとする。以下にそれぞれの好ましい値につい
て説明する。
Here, the insulator layer 101a, the semiconductor layer 101b, and the insulator layer 101c are In-M-Zn.
Consider the case where it is an oxide. In having the insulator layer 101a, the atomic ratio of the element M and Zn and x a, y a, and z a. Similarly, In, an element M, and Zn included in the semiconductor layer 101b
Let x b be the atomic ratio of x, y b and z b . Similarly, the atomic ratio of In, the elements M, and Zn included in the insulator layer 101c is x c , y c, and z c . Each preferable value will be described below.

、y及びzは図1、図2(A)及び図4に示す領域11、領域12、領域13
及び領域14のいずれかの範囲をとることが好ましい。
x b, y b and z b are 1, region 11 shown in FIG. 2 (A) and FIG. 4, region 12, region 13
It is preferable to take any one of the areas 14 and 14.

絶縁体層101a及び絶縁体層101cはスピネル型の結晶構造が含まれない、または
少ないことが好ましい。よって、x:y:z及びx:y:zは、例えば図1
の領域11の範囲内であり、かつ半導体層101bよりも電子親和力が小さくなる値を取
ることが好ましい。
It is preferable that the insulator layer 101a and the insulator layer 101c do not include or have few spinel crystal structures. Thus, x a: y a: z a and x c: y c: z c, for example FIG. 1
It is preferable to take a value within the range of the region 11 and having a smaller electron affinity than the semiconductor layer 101b.

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

例えば、x/(x+y+z)>x/(x+y+z)、及びx/(x
+y+z)>x/(x+y+z)を満たすことが好ましい。
For example, x b / (x b + y b + z b)> x a / (x a + y a + z a), and x b / (x
b + y b + z b) > It is preferable to satisfy the x c / (x c + y c + z c).

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

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

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

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体層101cの厚さは小さい
ほど好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm
以下の領域を有する絶縁体層101cとすればよい。一方、絶縁体層101cは、チャネ
ルの形成される半導体層101bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、
シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体層10
1cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは
1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体層101cとすれ
ばよい。また、絶縁体層101cは、ゲート絶縁膜102などから放出される酸素の外方
拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
Further, in order to increase the on-state current of the transistor, it is preferable that the thickness of the insulator layer 101c be smaller. For example, less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm
The insulator layer 101c having the following regions may be used. On the other hand, the insulator layer 101c is connected to the semiconductor layer 101b in which a channel is formed by an element other than oxygen (hydrogen,
Silicon, etc.) has the function of blocking so that it does not enter. Therefore, the insulator layer 10
1c preferably has a certain thickness. For example, the insulator layer 101c may have a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more. The insulator layer 101c preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the gate insulating film 102 and the like.

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

酸化物半導体膜に水素や水分が多量に含まれると、水素に起因したドナー準位が形成さ
れる場合がある。ドナー準位の形成により、トランジスタのしきい値がマイナス方向にシ
フトする場合がある。よって酸化物半導体膜の形成後に脱水化処理(脱水素化処理)を行
い、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好まし
い。
When the oxide semiconductor film contains a large amount of hydrogen or moisture, a donor level due to hydrogen might be formed. The formation of the donor level may shift the threshold value of the transistor in the negative direction. Therefore, it is preferable that dehydration treatment (dehydrogenation treatment) be performed after formation of the oxide semiconductor film so that hydrogen or moisture is removed and purification is performed so that impurities are not contained as much as possible.

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

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

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

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

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

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

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

また、ゲート絶縁膜102として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコ
ン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジル
コニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム及び酸化タンタルなどの酸化物
絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムな
どの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。
As the gate insulating film 102, an oxide insulating film such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is used. , A nitride insulating film of silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, aluminum nitride oxide, or the like, or a mixed material thereof.

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

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

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

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

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

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

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトラ
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが重なる領
域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)
とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトラ
ンジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つの
トランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書で
は、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小
値または平均値とする。
Note that the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion of a semiconductor in which a current flows when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other, or a region where a channel is formed. , 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 in which a source and a drain face each other. It is the length of the part where it exists. 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 value, 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、半導体の上面
に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割
合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅
よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
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 is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the effect thereof may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be higher than the ratio of the channel region formed on the upper surface of the semiconductor. In that case, the effective channel width in which a channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

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

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重な
る領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチ
ャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel
Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合
には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明
細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。
なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込み
チャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって
、値を決定することができる。
Therefore, in this specification, in a top view of a transistor, an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is referred to as an “enclosed channel width (SCW)”. : Surrounded Channel
Width)". Further, in this specification, when simply described as channel width, it may indicate an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in the present specification, the term “channel width” may refer to an effective channel width.
Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, etc. can be determined by acquiring a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また絶縁膜214は、欠陥量が少ないことが好ましく、代表的には、ESR測定により
、シリコンのダングリングボンドに由来するg=2.001に現れる信号のスピン密度が
3×1017spins/cm以下であることが好ましい。絶縁膜214に含まれる欠
陥密度が多いと、該欠陥に酸素が結合してしまい、絶縁膜214における酸素の透過量が
減少してしまう。
It is preferable that the insulating film 214 have a small amount of defects. Typically, the signal has a spin density of 3×10 17 spins/cm which appears at g=2.001 which is derived from a dangling bond of silicon by ESR measurement. It is preferably 3 or less. When the density of defects in the insulating film 214 is high, oxygen is bonded to the defects and the amount of oxygen that permeates the insulating film 214 is reduced.

なお、絶縁膜214においては、外部から絶縁膜214に入った酸素が全て絶縁膜21
4の外部に移動せず、絶縁膜214にとどまる酸素もある。また、絶縁膜214に酸素が
入ると共に、絶縁膜214に含まれる酸素が絶縁膜214の外部へ移動することで、絶縁
膜214において酸素の移動が生じる場合もある。絶縁膜214として酸素を透過するこ
とができる酸化物絶縁膜を形成すると、絶縁膜214上に設けられる、絶縁膜216から
脱離する酸素を、絶縁膜214を介して半導体層201に移動させることができる。
In the insulating film 214, all the oxygen that entered the insulating film 214 from the outside is entirely contained in the insulating film 21.
Some oxygen does not move to the outside of the insulating film 214 and stays in the insulating film 214. In addition, when oxygen enters the insulating film 214 and oxygen contained in the insulating film 214 moves to the outside of the insulating film 214, oxygen may move in the insulating film 214. When an oxide insulating film which can transmit oxygen is formed as the insulating film 214, oxygen released from the insulating film 216 which is provided over the insulating film 214 is transferred to the semiconductor layer 201 through the insulating film 214. You can

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

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

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

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

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

絶縁膜214として、Ev_osとEc_osの間に窒素酸化物の準位密度が低い酸化
物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能で
あり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。
By using an oxide insulating film having a low level density of nitrogen oxide between E v — os and E c — os as the insulating film 214, shift of the threshold voltage of the transistor can be reduced and It is possible to reduce fluctuations in electrical characteristics.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

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

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

また、表示装置700は、様々な素子を有することが出来る。該素子は、例えば、液晶
素子、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機
EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LED
など)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、電子イン
ク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(P
DP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、
デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター
)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション
)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクト
ロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表
示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用に
より、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい
。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素
子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又
はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction E
lectron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示
装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディス
プレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)
などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパ
ーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場
合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすれば
よい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するよう
にすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けるこ
とも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
Further, the display device 700 can include various elements. The element is, for example, a liquid crystal element, an EL (electroluminescence) element (an EL element containing an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, a red LED, a green LED, a blue LED).
Etc.), transistors (transistors that emit light in response to current), electron-emitting devices, electronic ink, electrophoretic devices, grating light valves (GLV), plasma displays (P
DP), a display element using MEMS (micro electro mechanical system),
Digital Micromirror Device (DMD), DMS (Digital Micro Shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (Interference Modulation) element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display element, electro-wet It has at least one of a switching element, a piezoelectric ceramic display, a display element using carbon nanotubes, and the like. In addition to these, a display medium whose contrast, luminance, reflectance, transmittance, or the like is changed by an electrical or magnetic action may be included. An EL display is an example of a display device using an EL element. As an example of a display device using an electron-emitting device, a field emission display (FED) or a SED type flat-panel display (SED: Surface-conduction E) is used.
electron-emitter display). An example of a display device using a liquid crystal element is a liquid crystal display (transmissive liquid crystal display, semi-transmissive liquid crystal display, reflective liquid crystal display, direct-view liquid crystal display, projection liquid crystal display).
and so on. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper. In the case of realizing a semi-transmissive liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrodes may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may include aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a storage circuit such as SRAM can be provided below the reflective electrode. Thereby, the power consumption can be further reduced.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよ
い。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリ
ック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発
現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組
成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、
応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい
。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によ
って引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や
破損を軽減することができる。
In the case of adopting the horizontal electric field method, liquid crystal exhibiting a blue phase for which an alignment film is unnecessary may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases, and is a phase that appears immediately before the transition from the cholesteric phase to the isotropic phase when the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased. Since the blue phase appears only in a narrow temperature range, a liquid crystal composition in which a chiral agent of several wt% or more is mixed is used for the liquid crystal layer in order to improve the temperature range. A liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent,
Since the response speed is short and it is optically isotropic, no alignment treatment is required and the viewing angle dependency is small. Further, since it is not necessary to provide an alignment film, rubbing treatment is not necessary, so that electrostatic breakdown caused by the rubbing treatment can be prevented and defects and damages of the liquid crystal display device during a manufacturing process can be reduced. ..

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

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

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

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

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

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

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

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

また、発光素子782と重なる位置に、着色膜736が設けられ、絶縁膜730と重な
る位置、引き回し配線部711、及びソースドライバ回路部704に遮光膜738が設け
られている。また、着色膜736及び遮光膜738は、絶縁膜734で覆われている。ま
た、発光素子782と絶縁膜734の間は封止膜732で充填されている。なお、図36
に示す表示装置700においては、着色膜736を設ける構成について例示したが、これ
に限定されない。例えば、EL層786を塗り分けにより形成する場合においては、着色
膜736を設けない構成としてもよい。
Further, a colored film 736 is provided in a position overlapping with the light emitting element 782, and a light shielding film 738 is provided in a position overlapping with the insulating film 730, the lead wiring portion 711, and the source driver circuit portion 704. The coloring film 736 and the light-shielding film 738 are covered with the insulating film 734. A space between the light emitting element 782 and the insulating film 734 is filled with a sealing film 732. Note that FIG.
In the display device 700 shown in (1), the configuration in which the colored film 736 is provided is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, in the case where the EL layer 786 is formed by coating separately, the coloring film 736 may be omitted.

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

図26(A)に示す表示装置は、表示素子の画素を有する領域(以下、画素部502と
いう)と、画素部502の外側に配置され、画素を駆動するための回路を有する回路部(
以下、駆動回路部504という)と、素子の保護機能を有する回路(以下、保護回路50
6という)と、端子部507と、を有する。なお、保護回路506は、設けない構成とし
てもよい。
The display device illustrated in FIG. 26A includes a region including a pixel of a display element (hereinafter referred to as a pixel portion 502) and a circuit portion provided outside the pixel portion 502 and including a circuit for driving the pixel (
Hereinafter, referred to as a drive circuit portion 504) and a circuit having a function of protecting an element (hereinafter, the protection circuit 50).
6) and a terminal portion 507. Note that the protection circuit 506 may not be provided.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

例えば、図26(B)の画素回路501を有する表示装置では、例えば、図26(A)
に示すゲートドライバ504aにより各行の画素回路501を順次選択し、トランジスタ
550をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
For example, in a display device including the pixel circuit 501 in FIG. 26B, for example, in FIG.
The pixel driver 501 of each row is sequentially selected by the gate driver 504a shown in (1), the transistor 550 is turned on, and the data of the data signal is written.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図37(A)に示す半導体装置では、トランジスタ130のゲート電極の電位が保持可
能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
In the semiconductor device in FIG. 37A, by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 130 can be held, writing, holding, and reading of data can be performed as follows.

情報の書き込み及び保持について説明する。まず、配線WLの電位を、トランジスタ1
00がオン状態となる電位にして、トランジスタ100をオン状態とする。これにより、
配線WBLの電位が、トランジスタ130のゲート電極、及び容量素子150に与えられ
る。すなわち、トランジスタ130のゲート電極には、所定の電荷が与えられる(書き込
み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Hig
hレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、配線WLの電位を、
トランジスタ100がオフ状態となる電位にして、トランジスタ100をオフ状態とする
ことにより、トランジスタ130のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。
Writing and holding of information will be described. First, the potential of the wiring WL is set to the transistor 1
The transistor 100 is turned on by setting the potential at which 00 turns on. This allows
The potential of the wiring WBL is applied to the gate electrode of the transistor 130 and the capacitor 150. That is, predetermined charge is applied to the gate electrode of the transistor 130 (writing). Here, charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as Low level charge, High
or h level charge). After that, the potential of the wiring WL is changed to
The electric potential applied to the transistor 100 is turned off and the transistor 100 is turned off, whereby the charge applied to the gate electrode of the transistor 130 is held (holding).

トランジスタ100のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ130のゲート電極
の電荷は長時間にわたって保持される。
Since the off-state current of the transistor 100 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 130 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。配線RBLに所定の電位(定電位)を与えた状
態で、配線CLに適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ130のゲート
電極に保持された電荷量に応じて、配線SLは異なる電位をとる。一般に、トランジスタ
130をnチャネル型とすると、トランジスタ130のゲート電極にHighレベル電荷
が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ130のゲート電
極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなる
ためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ130を「オン状態」と
するために必要な配線CLの電位をいうものとする。したがって、配線CLの電位をV
h_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタ130のゲート電極
に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与え
られていた場合には、配線CLの電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ1
30は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、配線CLの電
位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ130は「オフ状態」のままである
。このため、配線SLの電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことがで
きる。なお、配線本数を減らすために、例えば図37(A)に示すWBLとRBLを導通
させてもよい。
Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the wiring CL with a predetermined potential (constant potential) applied to the wiring RBL, the wiring SL has a different potential depending on the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 130. Take In general, when the transistor 130 is an n-channel type, the apparent threshold value V th_H when high level charge is applied to the gate electrode of the transistor 130 is low level charge applied to the gate electrode of the transistor 130. This is because the threshold value becomes lower than the apparent threshold value V th_L . Here, the apparent threshold voltage refers to a potential of the wiring CL which is necessary to turn on the transistor 130. Therefore, the potential of the wiring CL is set to V t
By setting the potential V 0 between h_H and V th_L , the charge given to the gate electrode of the transistor 130 can be determined. For example, in writing, when high-level charge is applied, if the potential of the wiring CL becomes V 0 (>V th_H ), the transistor 1
30 is in the "on state". When the low-level charge is applied, the transistor 130 remains in the “off state” even when the potential of the wiring CL becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, the held information can be read by determining the potential of the wiring SL. Note that in order to reduce the number of wirings, for example, WBL and RBL illustrated in FIG. 37A may be electrically connected.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読
み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態
にかかわらずトランジスタ130が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_H
より小さい電位を配線CLに与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトラ
ンジスタ130が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を
配線CLに与えればよい。
When the memory cells are arranged and used in an array, it is necessary to read only the information of a desired memory cell. In such a case where the information is not read, a potential at which the transistor 130 is turned off regardless of the state of the gate electrode, that is, V th_H
A smaller potential may be applied to the wiring CL. Alternatively , a potential such that the transistor 130 is turned on regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than V th_L may be applied to the wiring CL.

図37(B)に示す半導体装置は、トランジスタ130を設けていない点で主に図37
(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作
が可能である。
The semiconductor device illustrated in FIG. 37B is mainly illustrated in FIG. 37 in that the transistor 130 is not provided.
It is different from (A). In this case also, information writing and holding operations can be performed by the same operation as described above.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ100がオン状態となると、浮
遊状態である配線BLと容量素子150とが導通し、配線BLと容量素子150の間で電
荷が再分配される。その結果、配線BLの電位が変化する。配線BLの電位の変化量は、
容量素子150の一方の電極の電位(あるいは容量素子150に蓄積された電荷)によっ
て、異なる値をとる。
Next, reading of information will be described. When the transistor 100 is turned on, the wiring BL which is in a floating state and the capacitor 150 are brought into conduction, and electric charge is redistributed between the wiring BL and the capacitor 150. As a result, the potential of the wiring BL changes. The amount of change in the potential of the wiring BL is
It takes different values depending on the potential of one electrode of the capacitor 150 (or the charge accumulated in the capacitor 150).

例えば、容量素子150の一方の電極の電位をV、容量素子150の容量をC、配線B
Lが有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の配線BLの電位をVB0とすると、
電荷が再分配された後の配線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)と
なる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子150の一方の電極の電位がV1
とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の配線BL
の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場
合の配線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなるこ
とがわかる。
For example, the potential of one electrode of the capacitor 150 is V, the capacitance of the capacitor 150 is C, and the wiring B
When the capacitance component of L is CB, and the potential of the wiring BL before the charge is redistributed is VB0,
The potential of the wiring BL after the charge is redistributed is (CB×VB0+C×V)/(CB+C). Therefore, as the state of the memory cell, the potential of one electrode of the capacitor 150 is V1.
And V0 (V1>V0), the wiring BL in the case of holding the potential V1
Potential (=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C)) is higher than the potential of the wiring BL (=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C)) when the potential V0 is held. I understand.

そして、配線BLの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる
Then, information can be read by comparing the potential of the wiring BL with a predetermined potential.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

この段階でトランジスタ100が形成される。 At this stage, the transistor 100 is formed.

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

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

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

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

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

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

続いて、上記と同様の方法により、絶縁膜116に、プラグ322に達するプラグ12
3等を形成する。
Then, the plug 12 reaching the plug 322 is formed on the insulating film 116 by the same method as described above.
3 etc. are formed.

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

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面
を参照して説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of a circuit including the transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

[回路構成例]
実施の形態1を適用する半導体装置において示した構成において、トランジスタや配線
、電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下で
は、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する
[Circuit configuration example]
In the structure shown in the semiconductor device to which Embodiment 1 is applied, various circuits can be formed by changing connection structures of transistors, wirings, and electrodes. Hereinafter, an example of a circuit structure which can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.

〔CMOS回路〕
図37(C)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型の
トランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCM
OS回路の構成を示している。なお図中、第2の半導体材料が適用されたトランジスタに
は「OS」の記号を付して示している。ここで、本実施の形態で示すCMOS回路は、N
AND回路、NOR回路、エンコーダ、デコーダ、MUX(multiplamplif
ier)、DEMUX(demultiplexer)などの論理回路の基本素子として
利用されうる。
[CMOS circuit]
The circuit diagram in FIG. 37C is a so-called CM in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and their gates are connected.
The configuration of the OS circuit is shown. Note that, in the drawing, a transistor to which the second semiconductor material is applied is indicated by the symbol "OS". Here, the CMOS circuit shown in this embodiment has N
AND circuit, NOR circuit, encoder, decoder, MUX (multiplamplif)
ier), DEMUX (demultiplexer), and the like can be used as a basic element of a logic circuit.

〔アナログスイッチ〕
また図37(D)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそ
れぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、
いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。
[Analog switch]
The circuit diagram in FIG. 37D illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. With this configuration,
It can function as a so-called analog switch.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

図27に示す表示モジュール8000は、上部カバー8001と下部カバー8002と
の間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続され
た表示パネル8006、バックライト8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリ8011を有する。
The display module 8000 shown in FIG. 27 includes a touch panel 8004 connected to an FPC 8003, a display panel 8006 connected to an FPC 8005, a backlight 8007, a frame 8009, and a printed board 801 between an upper cover 8001 and a lower cover 8002.
0, the battery 8011.

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

上部カバー8001及び下部カバー8002は、タッチパネル8004及び表示パネル
8006のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
The shape and size of the upper cover 8001 and the lower cover 8002 can be changed as appropriate in accordance with the sizes of the touch panel 8004 and the display panel 8006.

タッチパネル8004は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチパネルを表示パネル
8006に重畳して用いることができる。また、表示パネル8006の対向基板(封止基
板)に、タッチパネル機能を持たせるようにすることも可能である。また、表示パネル8
006の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
As the touch panel 8004, a touch panel of a resistance film type or a capacitance type can be used by being superimposed on the display panel 8006. Alternatively, the counter substrate (sealing substrate) of the display panel 8006 can have a touch panel function. In addition, the display panel 8
It is also possible to provide an optical sensor in each pixel of 006 to form an optical touch panel.

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

フレーム8009は、表示パネル8006の保護機能の他、プリント基板8010の動
作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有する。またフレ
ーム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
The frame 8009 has a function of protecting the display panel 8006 and a function of an electromagnetic shield for blocking an electromagnetic wave generated by the operation of the printed board 8010. The frame 8009 may also have a function as a heat dissipation plate.

プリント基板8010は、電源回路、ビデオ信号及びクロック信号を出力するための信
号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であって
も良いし、別途設けたバッテリ8011による電源であってもよい。バッテリ8011は
、商用電源を用いる場合には、省略可能である。
The printed circuit board 8010 has a power supply circuit and a signal processing circuit for outputting a video signal and a clock signal. The power supply for supplying power to the power supply circuit may be an external commercial power supply or a power supply by a battery 8011 provided separately. The battery 8011 can be omitted when a commercial power source is used.

また、表示モジュール8000は、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追
加して設けてもよい。
Further, the display module 8000 may be additionally provided with members such as a polarizing plate, a retardation plate and a prism sheet.

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

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

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

RFタグの構成について図28を用いて説明する。図28は、RFタグの構成例を示す
ブロック図である。
The structure of the RF tag will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a block diagram showing a configuration example of an RF tag.

図28に示すようにRFタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどと
もいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ
804を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路
807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している
。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑
制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これ
により、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和すること
を防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることが
できる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信
を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信す
る電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFタグ800は、そのいずれの方
式に用いることも可能である。
As shown in FIG. 28, the RF tag 800 includes an antenna 804 that receives a wireless signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also referred to as an interrogator, a reader/writer, or the like). Further, the RF tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a memory circuit 810, and a ROM 811. Note that the demodulation circuit 807 may have a structure in which a transistor which has a rectifying function and which can sufficiently suppress reverse current is used, for example, an oxide semiconductor. As a result, it is possible to suppress a decrease in the rectification action caused by the reverse current and prevent the output of the demodulation circuit from being saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be made close to linear. There are three major data transmission methods: an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged opposite to each other to perform communication by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which radio waves are used for communication. Be separated. The RF tag 800 described in this embodiment can be used for any of the methods.

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

定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するため
の回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していても
よい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路8
09のリセット信号を生成するための回路である。
The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from an input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may have a reset signal generation circuit inside. The reset signal generation circuit uses the stable rise of the power supply voltage to make the logic circuit 8
This is a circuit for generating a reset signal of 09.

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

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

なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 The above-mentioned circuits can be appropriately discarded as necessary.

ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路810に用いることができる
。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため
、RFタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの
書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、デー
タの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに
、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制するこ
とができる。
Here, the memory circuit described in any of the above embodiments can be used for the memory circuit 810. Since the memory circuit of one embodiment of the present invention can retain information even when power is off, it can be preferably used for an RF tag. Further, in the memory circuit of one embodiment of the present invention, electric power (voltage) required for writing data is significantly smaller than that of a conventional nonvolatile memory; thus, a difference in maximum communication distance between reading data and writing data is not generated. It is also possible. Further, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to insufficient power when writing data.

また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能である
ため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデ
ータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷すること
で、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にの
み固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になること
がなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
The memory circuit of one embodiment of the present invention can be used as a nonvolatile memory and thus can be applied to the ROM 811. In this case, it is preferable that the producer separately prepares a command for writing data in the ROM 811 so that the user cannot freely rewrite the command. By shipping the product after the manufacturer writes the unique number before shipping, it is possible to assign the unique number only to the good product to be shipped, instead of assigning the unique number to all the manufactured RF tags, The unique number of the product after shipment does not become discontinuous, and the customer management corresponding to the product after shipment becomes easy.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

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

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

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

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態11)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFタグの使用例について図56を用いなが
ら説明する。RFタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記
名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図56(A)参照)、包装用容器類(包装紙
やボトル等、図56(C)参照)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図56(B)参
照)、乗り物類(自転車等、図56(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、
植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(
液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは
各物品に取り付ける荷札(図56(E)、図56(F)参照)等に設けて使用することが
できる。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of using the RF tag of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The RF tag has a wide range of uses, but for example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident card, etc., see FIG. 56(A)), packaging containers (wrapping paper, 56C), recording medium (DVD, video tape, etc., see FIG. 56B), vehicles (bicycle, etc., see FIG. 56D), personal items (bags, glasses, etc.) , Food,
Plants, animals, humans, clothing, daily necessities, medical products including medicines and drugs, or electronic devices (
It can be used by being provided on an article such as a liquid crystal display device, an EL display device, a television device, or a mobile phone, or a tag attached to each article (see FIGS. 56E and 56F).

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

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

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組
み合わせて実施することができる。
At least part of this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

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

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

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

別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」
と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除
く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機
絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば
、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。ま
たは、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが
可能である。
As another specific example, regarding a property of a certain substance, for example, “a certain film is an insulating film”.
Is described. In that case, for example, it is possible to define that the insulating film is not an organic insulating film, which is one embodiment of the invention. Alternatively, for example, one embodiment of the invention can be specified to exclude the case where the insulating film is an inorganic insulating film. Alternatively, for example, the case where the film is a conductive film can be excluded, and one embodiment of the invention can be specified. Alternatively, for example, it is possible to specify that the film is not a semiconductor film, which is one embodiment of the invention.

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

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章にお
いて、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって
、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取
り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成す
ることが可能であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であると言える。その
ため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子
、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作
方法、製造方法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分
を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(N
は整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個
(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の
一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構
成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構
成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成
されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一
態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、ま
たは、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは
、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」
、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可
能である。
Note that in this specification and the like, one part of a diagram or a text described in one embodiment can be taken out to form one embodiment of the invention. Therefore, in the case where a diagram or a sentence which describes a certain portion is described, the extracted content of the diagram or the sentence of the part is also disclosed as one embodiment of the invention, and may constitute one embodiment of the invention. It shall be possible. And it can be said that one aspect of the invention is clear. Therefore, for example, active elements (transistors, diodes, etc.), wiring, passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.), conductive layers, insulating layers, semiconductor layers, organic materials, inorganic materials, parts, devices, operating methods, manufacturing methods In a drawing or a text in which a single or a plurality of the above are described, a part of the drawing or the text can be taken out to constitute one embodiment of the invention. For example, N (N
Is an integer) and M (where M is an integer, M<N) circuit elements (transistors, capacitive elements, etc.) are extracted from the circuit diagram configured to have circuit elements (transistors, capacitive elements, etc.), It is possible to form one aspect of the invention. As another example, M (M is an integer and M<N) layers are extracted from a cross-sectional view including N layers (N is an integer) to form one embodiment of the invention. It is possible to do so. As still another example, M (M is an integer and M<N) elements are extracted from a flowchart configured with N (N is an integer) elements to form one embodiment of the invention. It is possible to do so. As still another example, some elements are arbitrarily extracted from the sentence described as "A has B, C, D, E, or F", and "A is B and E". "Has,""A has E and F,""A has C, E, and F."
Alternatively, one aspect of the invention such as “A has B, C, D, and E” can be configured.

なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章にお
いて、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すこと
は、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べ
る図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位
概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが
可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
Note that in this specification and the like, when at least one specific example is described in a diagram or a text described in one embodiment, it is easy for those skilled in the art to derive a superordinate concept of the specific example. Be understood by. Therefore, when at least one specific example is described in a drawing or a text described in one embodiment, the superordinate concept of the specific example is also disclosed as one aspect of the invention. Aspects can be configured. And it can be said that one aspect of the invention is clear.

なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)
は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能
である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べてい
なくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を
構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様
として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、
その発明の一態様は明確であると言える。
In this specification and the like, at least the contents described in the drawings (a part of the drawings may be included)
Is disclosed as one aspect of the invention, and one aspect of the invention can be configured. Therefore, as long as some content is described in the drawings, the content is disclosed as one embodiment of the invention even if it is not described using a sentence, and may form one embodiment of the invention. It is possible. Similarly, a drawing obtained by extracting a part of the drawing is also disclosed as one embodiment of the invention, and one embodiment of the invention can be constituted. And
It can be said that one aspect of the invention is clear.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

次に、sampleA乃至sampleDについて、TDS分析を行った。分子量が1
8の脱ガスの放出量を図54(A)及び(B)に示す。分子量が18の脱ガスはHO由
来と考えられる。sampleAでは放出量が大きく、熱処理を行ったsampleBで
は放出量が減少した。膜密度の高いsampleCでは熱処理を行わなくてもガス放出量
は小さく、膜中に含まれる水分量が小さいと考えられる。
Next, TDS analysis was performed on sampleA to sampleD. Molecular weight is 1
The released amount of degas of No. 8 is shown in FIGS. 54(A) and (B). The outgassing with a molecular weight of 18 is considered to originate from H 2 O. The amount of release was large in sampleA, and the amount of release was reduced in sampleB which was heat-treated. It is considered that sampleC, which has a high film density, has a small amount of released gas even if heat treatment is not performed, and the amount of water contained in the film is small.

次に、sampleA乃至sampleDについて、電子線照射による結晶の大きさ(
結晶サイズ)の変化を評価した。結晶サイズは、TEMを用いて断面を観察し、算出した
。TEMを用いて電子線照射を行い、累積照射量と結晶サイズの関係を評価した結果を図
55に示す。sampleAでは電子線照射を行う毎に結晶が大きくなる傾向がみられた
。ここで、電子線照射を行う前の結晶サイズは、例えば図55に示す近似線において累積
照射量が0[e/nm]の値とすればよい。熱処理を行ったsampleBでは、結
晶の大きさの変化が小さくなった。また、膜密度の高いsampleC及びsample
Dでは、電子線の累積照射量が4.2×10[e/nm]までの範囲において結晶
の大きさに顕著な変化はみられなかった。
Next, regarding sampleA to sampleD, the crystal size (
The change in crystal size) was evaluated. The crystal size was calculated by observing the cross section using TEM. FIG. 55 shows the result of evaluating the relationship between the cumulative irradiation amount and the crystal size by performing electron beam irradiation using TEM. In sampleA, the crystals tended to become larger each time the electron beam irradiation was performed. Here, the crystal size before the electron beam irradiation may be set to a value at which the cumulative irradiation amount is 0 [e /nm 2 ] in the approximate line shown in FIG. 55, for example. In sample B that was heat-treated, the change in crystal size was small. In addition, sample C and sample with high film density
In D, the crystal size was not significantly changed in the range of the cumulative irradiation dose of electron beams up to 4.2×10 8 [e /nm 2 ].

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

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

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

次に、酸素および窒素を含む雰囲気下で1時間の加熱処理を行った。加熱処理温度は25
0℃、300℃、350℃、400℃、および450℃の5条件とした。その後、加熱処
理を行っていない条件も含め、試料1、試料2および試料3の膜密度を測定した。膜密度
の測定には、Bruker AXS社製X線回折装置D8 ADVANCEによるXRR
を用いた。試料1の結果を図58(A)に、試料2の結果を図58(B)に、試料3の結
果を図58(C)に示す。横軸は加熱処理の温度である。試料1の膜密度は5.9g/c
から6.1g/cmであった。試料2の膜密度は5.6g/cmから5.8g/
cmの範囲であった。試料3の膜密度は6.2g/cmから6.4g/cmの範囲
であった。
Next, heat treatment was performed for 1 hour in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. Heat treatment temperature is 25
Five conditions of 0°C, 300°C, 350°C, 400°C, and 450°C were set. After that, the film densities of Sample 1, Sample 2, and Sample 3 were measured including the condition that the heat treatment was not performed. The film density is measured by XRR by an X-ray diffractometer D8 ADVANCE manufactured by Bruker AXS.
Was used. The results of Sample 1 are shown in FIG. 58(A), the results of Sample 2 are shown in FIG. 58(B), and the results of Sample 3 are shown in FIG. 58(C). The horizontal axis represents the temperature of heat treatment. The film density of sample 1 is 5.9 g/c
It was from m 3 to 6.1 g/cm 3 . The film density of Sample 2 is 5.6 g/cm 3 to 5.8 g/
It was in the range of cm 3 . The film density of Sample 3 was in the range of 6.2 g/cm 3 to 6.4 g/cm 3 .

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

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

次に、試料1および試料2の水素濃度を測定した。水素濃度の測定はSIMSで行った。
SIMSは、CAMECA社製IMS 7fRを用いた。試料1の結果を図61(A)お
よび図68(A)に、試料2の結果を図61(B)および図68(B)に示す。ここで、
図68(A)および図68(B)には、横軸に膜表面からの深さを、縦軸に水素濃度を示
す。また、図61(A)および図61(B)には、深さ10nmから60nmまでの水素
濃度の平均値を示す。また、図68(A)および図68(B)において、深さ80nm近
傍で急激に水素濃度が変化する領域より後では、In−Ga−Zn酸化物膜が残存せずに
石英基板を測定している可能性がある。また、10nm未満の領域では表面状態の影響を
受ける可能性がある。よって、In−Ga−Zn酸化物膜の水素濃度は、例えば深さ10
nmから60nmまでの平均値で表すことが好ましい。試料1および試料2は加熱処理の
温度が高いほど、水素濃度が低くなることがわかった。また、加熱処理を行った試料2よ
りも加熱処理を行っていない試料1のほうが、水素濃度が低くなることがわかった。
Next, the hydrogen concentrations of Sample 1 and Sample 2 were measured. The hydrogen concentration was measured by SIMS.
As SIMS, IMS 7fR manufactured by CAMECA was used. The results of Sample 1 are shown in FIGS. 61(A) and 68(A), and the results of Sample 2 are shown in FIGS. 61(B) and 68(B). here,
68A and 68B, the horizontal axis represents the depth from the film surface and the vertical axis represents the hydrogen concentration. Further, FIGS. 61A and 61B show average values of hydrogen concentration from a depth of 10 nm to 60 nm. In addition, in FIGS. 68A and 68B, the quartz substrate was measured without the In—Ga—Zn oxide film remaining after the region where the hydrogen concentration drastically changed near the depth of 80 nm. There is a possibility that Further, in a region of less than 10 nm, there is a possibility of being affected by the surface condition. Therefore, the hydrogen concentration of the In-Ga-Zn oxide film is, for example, 10
It is preferable to represent the average value from nm to 60 nm. It was found that in Samples 1 and 2, the higher the heat treatment temperature, the lower the hydrogen concentration. Further, it was found that the sample 1 not subjected to the heat treatment had a lower hydrogen concentration than the sample 2 subjected to the heat treatment.

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

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

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

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

本実施例では、nc−OS膜の局在準位を評価した。局在準位の評価は、CPM(Con
stant photocurrent method)測定で行った。
In this example, the localized level of the nc-OS film was evaluated. The evaluation of the localized level is performed by CPM (Con
It was carried out by stan photocurrent method measurement.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Claims (5)

第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、を有し、
前記第1の導電層は、前記第1の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記第2の導電層は、前記第2の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記酸化物半導体層は、インジウムと、亜鉛と、を有し、且つ、元素Mとして、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの元素のうちの、少なくとも一つを有し、
前記酸化物半導体層が有する、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
電子線を前記酸化物半導体層の複数の位置に照射して、複数の電子回折パターンを観測した場合に、
前記複数の位置において観測される、前記複数の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合は50%以上であり、
前記第1の電子回折パターンは、スポットが対称に配置されていないパターンである、または円を描くように配置された複数のスポットを有するパターンである、トランジスタ。
A first conductive layer,
A first insulating layer on the first conductive layer;
An oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A second insulating layer on the oxide semiconductor layer;
A second conductive layer on the second insulating layer,
The first conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the first insulating layer,
The second conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the second insulating layer,
The oxide semiconductor layer contains indium and zinc, and contains, as the element M, at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin.
The ratio of the numbers of atoms of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor layer satisfies indium:element M:zinc=x:y:z,
In the equilibrium diagram in which the three elements of indium, element M, and zinc are vertices, x, y, and z are the first coordinates (x:y:z=8:14:7) and the second coordinate The coordinates (x:y:z=2:4:3), the third coordinates (x:y:z=2:5:7), and the fourth coordinates (x:y:z=51:149: 300), the fifth coordinate (x:y:z=46:288:833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x:y). :Z=0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are sequentially connected by a line segment in the range of the number of atoms. The range includes the first coordinate to the sixth coordinate and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate,
When irradiating a plurality of positions of the oxide semiconductor layer with an electron beam to observe a plurality of electron diffraction patterns ,
Of the plurality of electron diffraction patterns observed at the plurality of positions, the proportion having the first electron diffraction pattern is 50% or more,
The first electron diffraction pattern is a transistor in which spots are not symmetrically arranged or a pattern having a plurality of spots arranged in a circle.
第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、を有し、
前記第2の絶縁層は、島状の形状であり、
前記第1の導電層は、前記第1の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記第2の導電層は、前記第2の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記酸化物半導体層は、インジウムと、亜鉛と、を有し、且つ、元素Mとして、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの元素のうちの、少なくとも一つを有し、
前記酸化物半導体層が有する、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
電子線を前記酸化物半導体層の複数の位置に照射して、複数の電子回折パターンを観測した場合に、
前記複数の位置において観測される、前記複数の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合は50%以上であり、
前記第1の電子回折パターンは、スポットが対称に配置されていないパターンである、または円を描くように配置された複数のスポットを有するパターンである、トランジスタ。
A first conductive layer,
A first insulating layer on the first conductive layer;
An oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A second insulating layer on the oxide semiconductor layer;
A second conductive layer on the second insulating layer,
The second insulating layer has an island shape,
The first conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the first insulating layer,
The second conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the second insulating layer,
The oxide semiconductor layer contains indium and zinc, and contains, as the element M, at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin.
The ratio of the numbers of atoms of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor layer satisfies indium:element M:zinc=x:y:z,
In the equilibrium diagram in which the three elements of indium, element M, and zinc are vertices, x, y, and z are the first coordinates (x:y:z=8:14:7) and the second coordinate Coordinates (x:y:z=2:4:3), third coordinates (x:y:z=2:5:7), and fourth coordinates (x:y:z=51:149: 300), the fifth coordinate (x:y:z=46:288:833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x:y). :Z=0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are sequentially connected by a line segment in the range of the number of atoms. The range includes the first coordinate to the sixth coordinate and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate,
When irradiating a plurality of positions of the oxide semiconductor layer with an electron beam to observe a plurality of electron diffraction patterns ,
Of the plurality of electron diffraction patterns observed at the plurality of positions, the proportion having the first electron diffraction pattern is 50% or more,
The first electron diffraction pattern is a transistor in which spots are not symmetrically arranged or a pattern having a plurality of spots arranged in a circle.
第1の導電層と、
前記第1の導電層上の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層上の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上の第2の導電層と、を有し、
前記第2の絶縁層は、島状の形状であり、
前記第2の絶縁層の端部は、前記第2の導電層の端部より外側にあり、
前記第1の導電層は、前記第1の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記第2の導電層は、前記第2の絶縁層を介して前記酸化物半導体層と重畳し、
前記酸化物半導体層は、インジウムと、亜鉛と、を有し、且つ、元素Mとして、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または、スズの元素のうちの、少なくとも一つを有し、
前記酸化物半導体層が有する、インジウム、元素M及び亜鉛の原子数の比は、インジウム:元素M:亜鉛=x:y:zを満たし、
前記x、前記y及び前記zはインジウム、元素M及び亜鉛の3つの元素を頂点とした平衡状態図において、第1の座標(x:y:z=8:14:7)と、第2の座標(x:y:z=2:4:3)と、第3の座標(x:y:z=2:5:7)と、第4の座標(x:y:z=51:149:300)と、第5の座標(x:y:z=46:288:833)と、第6の座標(x:y:z=0:2:11)と、第7の座標(x:y:z=0:0:1)と、第8の座標(x:y:z=1:0:0)と、前記第1の座標と、を順番に線分で結んだ範囲内の原子数の比を有し、前記範囲は、前記第1の座標乃至前記第6の座標を含み、前記第7の座標及び前記第8の座標を含まず、
電子線を前記酸化物半導体層の複数の位置に照射して、複数の電子回折パターンを観測した場合に、
前記複数の位置において観測される、前記複数の電子回折パターンのうち、第1の電子回折パターンを有する割合は50%以上であり、
前記第1の電子回折パターンは、スポットが対称に配置されていないパターンである、または円を描くように配置された複数のスポットを有するパターンである、トランジスタ。
A first conductive layer,
A first insulating layer on the first conductive layer;
An oxide semiconductor layer on the first insulating layer;
A second insulating layer on the oxide semiconductor layer;
A second conductive layer on the second insulating layer,
The second insulating layer has an island shape,
The end of the second insulating layer is outside the end of the second conductive layer,
The first conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the first insulating layer,
The second conductive layer overlaps with the oxide semiconductor layer through the second insulating layer,
The oxide semiconductor layer contains indium and zinc, and contains, as the element M, at least one of aluminum, gallium, yttrium, or tin.
The ratio of the numbers of atoms of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor layer satisfies indium:element M:zinc=x:y:z,
In the equilibrium diagram in which the three elements of indium, element M, and zinc are vertices, x, y, and z are the first coordinates (x:y:z=8:14:7) and the second coordinate The coordinates (x:y:z=2:4:3), the third coordinates (x:y:z=2:5:7), and the fourth coordinates (x:y:z=51:149: 300), the fifth coordinate (x:y:z=46:288:833), the sixth coordinate (x:y:z=0:2:11), and the seventh coordinate (x:y). :Z=0:0:1), the eighth coordinate (x:y:z=1:0:0), and the first coordinate are sequentially connected by a line segment in the range of the number of atoms. The range includes the first coordinate to the sixth coordinate and does not include the seventh coordinate and the eighth coordinate,
When irradiating a plurality of positions of the oxide semiconductor layer with an electron beam to observe a plurality of electron diffraction patterns ,
Of the plurality of electron diffraction patterns observed at the plurality of positions, the proportion having the first electron diffraction pattern is 50% or more,
The first electron diffraction pattern is a transistor in which spots are not symmetrically arranged or a pattern having a plurality of spots arranged in a circle.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記電子回折パターンの観測に用いられる電子線のプローブ径は1nmである、トランジスタ。
In any one of Claim 1 thru|or 3,
A transistor in which a probe diameter of an electron beam used for observing the electron diffraction pattern is 1 nm.
請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記酸化物半導体層の側面に接する一対の電極層を有する、トランジスタ。
In any one of Claim 1 thru|or 4,
A transistor having a pair of electrode layers in contact with side surfaces of the oxide semiconductor layer.
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