JP6969881B2 - 半導体装置、及び電子機器 - Google Patents
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Description
異なる電気特性を有するトランジスタを同一層上に設けることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタを同一層上に設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。本実施の形態では、作製工程数の増加を抑制しながら、異なる電気特性を有するトランジスタを同一層上に設ける実施形態の一例を説明する。
図1(A)は、半導体装置1000を示す断面図である。また、図2は、半導体装置1000を示す平面図である。半導体装置1000はトランジスタ100およびトランジスタ200を有する。トランジスタ100およびトランジスタ200は、異なる構成を有する。また、図1(A)では、基板101上に設けたトランジスタ100およびトランジスタ200の断面を示している。なお、図1(A)は、図2にL1−L2の一点鎖線で示す部位およびL3−L4の一点鎖線で示す部位の断面図に相当する。
トランジスタ100はトップゲート型のトランジスタの一種である。トランジスタ100は、電極105_1、絶縁層108、半導体層109_1a、半導体層109_1b、半導体層109_1c、電極110_1a、電極110_1b、層129_1a、層129_1b、絶縁層111_1、電極112_1、および絶縁層113_1を有する(図2、図3(A)、図3(B)、図4(A)、および図4(B)参照。)。
電極105_1または電極112_1の一方はゲート電極として機能でき、他方はバックゲート電極として機能できる。一般に、ゲート電極とバックゲート電極は導電層で形成される。また、ゲート電極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。よって、バックゲート電極はゲート電極と同様に機能させることができる。バックゲート電極の電位は、ゲート電極と同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲート電極の電位をゲート電極と同じとせずに独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
トランジスタ200はトップゲート型のトランジスタの一種である。トランジスタ200は、絶縁層108、半導体層109_2c、絶縁層111_2、電極112_2、および絶縁層113_2を有する(図2、図5(A)、図5(B)、および図6参照。)。
〔基板〕
基板101として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板101としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いることができる。また、SOI基板や、半導体基板上に歪トランジスタやFIN型トランジスタなどの半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。または、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)に適用可能なヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウムなどを用いてもよい。すなわち、基板101は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ100および/またはトランジスタ200のゲート、ソース、またはドレインの少なくとも一つは、上記他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
絶縁層102乃至絶縁層104、絶縁層106乃至絶縁層108、絶縁層111、および絶縁層113乃至絶縁層115は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、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、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどから選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
電極105、電極110、電極112、電極116および電極117を形成するための導電性材料としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
半導体層109として、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。半導体材料としては、例えば、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
本発明に係る酸化物半導体について説明する。酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
半導体層109_1a、半導体層109_1b、および半導体層109_1cの積層により構成される半導体層109の機能およびその効果について、図7に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図7(A)は、図4(A)および図4(B)にA1−A2の一点鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。すなわち、図7(A)は、トランジスタ100のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
なお、酸化物半導体中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。したがって、半導体層109中のシリコン濃度は低いほど好ましい。例えば、半導体層109_1bと半導体層109_1aとの間に、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体層109_1bと半導体層109_1cとの間に、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有する。
絶縁層を形成するための絶縁性材料、電極を形成するための導電性材料、または半導体層を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、スピンコート法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法、高密度プラズマCVD(High density plasma CVD)法、LPCVD(low pressure CVD)法、APCVD(atmospheric pressure CVD)法等を含む)、ALD(Atomic Layer Deposition)法、または、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、または、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法(インクジェット法など)、印刷法(スクリーン印刷、オフセット印刷など)を用いて形成することができる。
半導体装置1000の作製方法例について図8乃至図15を用いて説明する。図8乃至図15中のL1−L2断面は、図2にL1−L2の一点鎖線で示す部位の断面に相当する。また、図8乃至図15中のL3−L4断面は、図2にL3−L4の一点鎖線で示す部位の断面に相当する。
まず、基板101上に絶縁層102、絶縁層103、および絶縁層106を順に形成する(図8(A)参照。)。本実施の形態では、基板101として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)を用いる。
次に、絶縁層106上にレジストマスクを形成する(図示せず。)。レジストマスクの形成は、フォトリソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクを印刷法やインクジェット法などで形成すると、フォトマスクを使用しないため製造コストを低減できる。
次に、絶縁層103および絶縁層106上に導電層182aおよび導電層182bを形成する(図8(C)参照。)。本実施の形態では、導電層182aとしてスパッタリング法により窒化タンタル膜を形成する。導電層182bとしてスパッタリング法によりタングステン膜を形成する。
次に、化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理(「CMP処理」ともいう。)を行なう(図8(D)参照。)。CMP処理によって、導電層182aの一部が除去されて、配線118_1a、配線118_2aa、および配線118_2baが形成される。また、導電層182bの一部が除去されて、配線118_1b、配線118_2ab、および配線118_2bbが形成される。この時、絶縁層106の表面の一部も除去される場合がある。CMP処理を行うことで試料表面の凹凸が低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
次に、絶縁層107、および絶縁層104を順に形成する(図8(E)参照。)。本実施の形態では、絶縁層107としてALD法により厚さ5nmの酸化アルミニウム膜を形成する。また、絶縁層104としてCVD法により厚さ30nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。
次に、絶縁層104上にレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、絶縁層104および絶縁層107の一部を選択的に除去して配線118_1と重なる領域を有する開口183を形成する(図9(A)参照。)。開口183において、配線118_1の一部が露出する。その後、レジストマスクを除去する。なお、開口183の形成時に、配線118_1の一部も除去される場合がある。絶縁層104および絶縁層107の除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
次に、導電層185を形成する(図9(B)参照。)。本実施の形態では、導電層185としてスパッタリング法により窒化タンタル膜を形成する。
次に、CMP処理を行なう(図9(C)参照。)。CMP処理によって、導電層185の一部が除去されて、電極105_1が形成される。この時、絶縁層104の表面の一部も除去される場合がある。CMP処理を行うことで試料表面の凹凸が低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
次に、絶縁層108を形成する(図9(D)参照。)。本実施の形態では、CVD法により厚さ20nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。前述した通り、絶縁層108は、過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。絶縁層108に酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁層108の形成後に加熱処理を行なって、絶縁層108中に含まれる水素や水分を低減させることが好ましい。加熱処理の後に酸素ドープ処理を行ってもよい。加熱処理と酸素ドープ処理を複数回繰り返してもよい。
次に、半導体層184a、半導体層184b、導電層188、層186、および層187を順に形成する(図10(A)参照。)。本実施の形態では、半導体層184aを、組成がIn:Ga:Zn=1:3:4のターゲットを用いたスパッタリング法で形成する。また、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は、70%以上が好ましく、80%以上がさらに好ましく、100%がより好ましい。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、半導体層184a中の過剰酸素を増やすことができる。半導体層184aに過剰酸素を含む半導体層を用いることで、後の加熱処理によって半導体層184b(後の半導体層109b)に酸素を供給することができる。
次に、層187上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、層187の一部を選択的に除去して、開口171を形成する(図10(B)参照。)。開口171において層186の一部が露出する。開口171と電極105_1は互いに重なる領域を有する。
続いて、開口171を有する層187をマスクとして用いて、層186の一部を選択的に除去する(図10(C)参照。)。この時、開口171と重なる領域の導電層188が露出する。
次に、層187を除去して層186を露出させる。この時、層187の除去と同時に、開口171と重なる領域の導電層188も除去されて、開口171と重なる領域の半導体層184bが露出する(図11(A)参照。)。なお、露出した半導体層184bの一部が除去される場合がある。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、半導体層184a、半導体層184b、導電層188、および層186それぞれの一部を選択的に除去して、半導体層109_1a、半導体層109_1b、電極110_1a、電極110_1b、層129_1a、および層129_1bを形成する(図11(B)参照。)。この時、絶縁層108の一部が除去されて、絶縁層108に凸部が形成される場合がある。
次に、半導体層184cと絶縁層111を順に形成する(図11(D)参照。)。本実施の形態では、半導体層184cとして半導体層184aと同じ条件で形成した過剰酸素を含む酸化物半導体を用いる。なお、酸化物半導体は組成によっても酸素の透過率が変化するため、使用する酸化物半導体の組成は目的に応じて適宜設定すればよい。例えば、半導体層184cを、組成がIn:Ga:Zn=1:3:4のターゲットを用いて形成してもよい。半導体層184cに過剰酸素を含む半導体層を用いることで、後の加熱処理によって半導体層109_1bに酸素を供給することができる。
次に、絶縁層111上に導電層174を形成する(図12(A)参照。)。本実施の形態では、導電層174を導電層174aと導電層174bの積層で形成する例を示している。本実施の形態では、導電層174aとして、インジウムガリウム亜鉛酸化物を用いる。例えば、導電層174aを組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1のターゲットを用いたスパッタリング法で形成する。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は、70%以上が好ましく、80%以上がさらに好ましく、100%がより好ましい。導電層174aの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁層111に供給される場合がある。スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁層111に供給される酸素も増加する。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層174の一部を選択的に除去して、電極112_1(電極112_1aおよび電極112_1b)ならびに電極112_2(電極112_2aおよび電極112_2b)を形成する(図12(B)参照。)。
次に、絶縁層113を形成する(図12(C)参照。)。本実施の形態では、絶縁層113として、ALD法により酸化アルミニウム膜を形成する。
次に、絶縁層113上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、絶縁層113、絶縁層111、および半導体層184cそれぞれの一部を選択的に除去して、絶縁層113_1、絶縁層113_2、絶縁層111_1、絶縁層111_2、半導体層109_1c、および半導体層109_2cを形成する(図13(A)参照。)。
次に、絶縁層114および絶縁層115を順に形成する(図13(B)参照。)。本実施の形態では、絶縁層114としてCVD法により酸化窒化シリコン膜を形成する。絶縁層114は過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。絶縁層114の形成後、CMP処理を行ない試料表面の凹凸を低減することが好ましい。
次に、試料表面上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、絶縁層115、絶縁層114、および層129_1aそれぞれの一部を除去して開口192_1aを形成する(図13(C)参照。)。開口192_1aは電極110_1aと重なる領域を有する。また、絶縁層115、絶縁層114、および層129_1bそれぞれの一部を除去して開口192_1bを形成する。開口192_1bは電極110_1bと重なる領域を有する。また、絶縁層115、絶縁層114、および絶縁層113_1それぞれの一部を除去して開口192_1c(図示せず。)を形成する。開口192_1cは電極112_1と重なる領域を有する。
次に、導電層175を形成する(図14(A)参照。)。本実施の形態では、導電層175を導電層175aと導電層175bの積層で形成する例を示している。本実施の形態では、導電層175aとしてALD法により窒化チタン膜を形成する。また、導電層175bとしてALD法によりタングステン膜を形成する。
次に、CMP処理を行なう。CMP処理によって、導電層175の一部が除去されて、電極116_1a(電極116_1a1、電極116_1a2)、電極116_1b(電極116_1b1、電極116_1b2)、電極116_1c(図示せず。)、電極116_2a(電極116_2a1、電極116_2a2)、電極116_2b(電極116_2b1、電極116_2b2)、および電極116_2c(電極116_2c1、電極116_2c2)が形成される(図14(B)参照。)。図14(B)では、導電層175aの一部が除去されて、電極116_1a1、電極116_1b1、電極116_2a1、電極116_2b1、および電極116_2c1が形成される例を示している。また、図14(B)では、導電層175bの一部が除去されて、電極116_1a2、電極116_1b2、電極116_2a2、電極116_2b2、および電極116_2c2が形成される例を示している。
次に、導電層177を形成する(図15(A)参照。)。本実施の形態では、導電層としてスパッタリング法によりタングステン膜を形成する。
次に、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する(図示せず。)。当該レジストマスクをマスクとして用いて、導電層177の一部を選択的に除去し、電極117_1a、電極117_1b、電極117_1c(図示せず。)、および電極117_2を形成する(図15(B)参照。)。なお、電極117の形成時に、絶縁層115の一部が除去される場合がある。
図16(A)、図16(B)、図17(A)、図17(B)、図18(A)、図18(B)、図19(A)、図19(B)、図20、図21、図24(A)、図24(B)、および図25に半導体装置1000の変形例を示す。
図16(A)に示す半導体装置1000Aは、トランジスタ100Aおよびトランジスタ200を有する。トランジスタ100Aは、絶縁層111_1、絶縁層113_1、および半導体層109_1cの形状がトランジスタ100と異なる。
図16(B)に示す半導体装置1000Bは、トランジスタ100Bおよびトランジスタ200Bを有する。トランジスタ100Bおよびトランジスタ200Bは、絶縁層108を、絶縁層108a、絶縁層108b、および絶縁層108cの積層構造としている点が、トランジスタ100およびトランジスタ200と異なる。
図17(A)に示す半導体装置1000Cは、トランジスタ100およびトランジスタ200Cを有する。トランジスタ200Cは、トランジスタ200に電極105_2および配線118_2cを設けた構成を有する。電極105_2は、配線118_2cと電気的に接続される。電極105_2は、ゲートまたはバックゲートとして機能できる。電極105_2は、電極105_1と同様の材料および方法で、同時に形成することができる。配線118_2cは、配線118_1、配線118_2aおよび配線118_2bと同様の材料および方法で、同時に形成することができる。半導体装置に求められる性能や目的などによっては、電極105_2および配線118_2cを設けなくてもよい。
図17(B)に示す半導体装置1000Dは、トランジスタ100Dおよびトランジスタ200Cを有する。トランジスタ100Dは、トランジスタ100から電極105_1および配線118を除去した構成を有する。半導体装置に求められる性能や目的などによっては、電極105_1を設けなくてもよい。なお、電極105_1と電極105_2の両方を設けない構成もありえる。
図18(A)に示す半導体装置1000Eは、トランジスタ100Eおよびトランジスタ200Eを有する。トランジスタ100Eとトランジスタ200Eは、半導体層109、電極110、層129、絶縁層111、電極112、および絶縁層113が、絶縁層176で覆われている点が、トランジスタ100およびトランジスタ200と異なる。
図18(B)に示す半導体装置1000Fは、トランジスタ100Fおよびトランジスタ200Fを有する。トランジスタ100Fとトランジスタ200Fは、絶縁層104と絶縁層108の間に絶縁層119を有する点が、トランジスタ100およびトランジスタ200と異なる。また、トランジスタ100Fは、絶縁層119と同じ層に電極178を有する。電極178は電極105_1と電気的に接続する領域を有する。
図19(A)に示す半導体装置1000Gは、トランジスタ100Gおよびトランジスタ200Gを有する。トランジスタ100Gおよびトランジスタ200Gは、半導体層109cの形状がトランジスタ100およびトランジスタ200と異なる。
図19(B)に示す半導体装置1000Hは、トランジスタ100Hおよびトランジスタ200Gを有する。トランジスタ100Hは、半導体層109_1cの形状がトランジスタ100Gと異なる。
図20に示す半導体装置1000Iは、トランジスタ100およびトランジスタ200Iを有する。トランジスタ200Iは、電極105_2aおよび電極105_2bを有する点がトランジスタ200と異なる。
図21に示す半導体装置1000Jは、トランジスタ100およびトランジスタ200Jを有する。トランジスタ200Jは、半導体層109_2a1、半導体層109_2b1、半導体層109_2a2、および半導体層109_2b2を有する点がトランジスタ200と異なる。また、トランジスタ200Jは、絶縁層113_2、および絶縁層111_2の形状がトランジスタ200と異なる。
半導体装置1000Jの作製方法例について説明する。説明の繰り返しを減らすため、主に、半導体装置1000の作製方法例と異なる点について説明する。
図24(A)に示す半導体装置1000Kは、トランジスタ100Kおよびトランジスタ200Kを有する。トランジスタ100Kおよびトランジスタ200Kは、絶縁層113、絶縁層111、および半導体層109cの形状がトランジスタ100およびトランジスタ200Jと異なる。
図24(B)に示す半導体装置1000Lは、トランジスタ100Lおよびトランジスタ200Lを有する。トランジスタ100Lおよびトランジスタ200Lは、半導体層109cの形状がトランジスタ100およびトランジスタ200Jと異なる。
図25に示す半導体装置1000Mは、トランジスタ100Mおよびトランジスタ200Mを有する。トランジスタ100Mおよびトランジスタ200Mは、半導体層109cの形状がトランジスタ100Lおよびトランジスタ200Lと異なる。
本実施の形態では、本明細書等に開示したトランジスタを用いた半導体装置の一例について説明する。
図26(A)乃至図26(C)は、半導体装置400の断面図である。半導体装置400は、トランジスタ100とトランジスタ281を有する。なお、本実施の形態に示すトランジスタ100は、上記実施の形態に示した他のトランジスタと置き換えが可能である。図26(A)はトランジスタ100とトランジスタ281のチャネル長方向の断面図であり、図26(B)はチャネル幅方向の断面図である。図26(C)は図26(A)に示すトランジスタ281の拡大図である。
基板401にnチャネル型のトランジスタであるトランジスタ282を設けてもよい。図27(A)および図27(B)は、半導体装置410の断面図である。半導体装置410は、半導体装置400にトランジスタ282を付加した構成を有する。図27(A)はトランジスタ100、トランジスタ281、および、トランジスタ282のチャネル長方向の断面図であり、図27(B)はトランジスタ282の拡大図である。
図28(A)乃至図28(C)は半導体装置420の断面図である。半導体装置420は、半導体装置400が有するトランジスタ281を、Fin型のトランジスタ291に置き換えた構成を有する。トランジスタをFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大し、トランジスタのオン特性を改善することができる。また、チャネル形成領域に対するゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタのオフ特性を改善することができる。
図29は半導体装置430の断面図である。半導体装置430はトランジスタ100、トランジスタ200、トランジスタ281、容量素子240を有する。また、半導体装置430は、トランジスタ281を覆う絶縁層405上に絶縁層431、絶縁層432、絶縁層433、絶縁層434、絶縁層435、および絶縁層436、を有する。また、半導体装置430は、絶縁層405上に電極422、および電極424を有する。
本明細書等に開示したトランジスタは、OR回路、AND回路、NAND回路、およびNOR回路などの論理回路や、インバータ回路、バッファ回路、シフトレジスタ回路、フリップフロップ回路、エンコーダ回路、デコーダ回路、増幅回路、アナログスイッチ回路、積分回路、微分回路、およびメモリ素子などの様々な半導体回路に用いることができる。
図31(A)に示す半導体回路は、トランジスタ262のソースまたはドレインの一方を、トランジスタ263のゲートおよび容量素子258の一方の電極に接続した記憶素子251aの構成例を示している。また、図31(B)に示す回路は、トランジスタ262のソースまたはドレインの一方を、容量素子258の一方の電極に接続した記憶素子261aの構成例を示している。
記憶素子251aの、情報の書き込み動作および保持動作について説明する。まず、配線255の電位を、トランジスタ262がオン状態となる電位にする。これにより、配線254の電位がノード257に与えられる。即ち、ノード257に所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下、「Lowレベル電荷」、「Highレベル電荷」ともいう。)のどちらかが与えられるものとする。その後、配線255の電位を、トランジスタ262がオフ状態となる電位とすることで、ノード257に電荷が保持される(保持動作)。
次に情報の読み出し動作について説明する。配線252に配線253の電位と異なる所定の電位(定電位)を与えた状態で、配線256に読み出し電位VRを与えると、ノード257に保持されている情報を読み出すことができる。
記憶素子261aの、情報の読み出し動作について説明する。配線255にトランジスタ262がオン状態になる電位が与えられると、浮遊状態である配線254と容量素子258とが導通し、配線254と容量素子258の間で電荷が再分配される。その結果、配線254の電位が変化する。配線254の電位の変化量は、ノード257の電位(またはノード257に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
上記の記憶素子を用いた記憶装置の一例を図32(A)および図32(B)の回路図に示す。図32(A)に示す記憶装置300は、記憶回路310と電圧保持回路320を有する。図32(B)に示す記憶装置300aは、記憶回路310aと電圧保持回路320aを有する。記憶回路310および記憶回路310aは、複数の記憶素子を有する。図32(A)および図32(B)では、3つの記憶素子261b(記憶素子261b_1乃至記憶素子261b_3)を有する場合を例示している。
次に、上述したトランジスタおよび/または半導体装置を用いることができるCPUの一例を説明する。図34は、上述したトランジスタを一部に用いたCPUの構成例を示すブロック図である。
次に、上述したトランジスタおよび/または半導体装置を用いることができるRFタグの一例を説明する。図35は、RFタグの構成例を示すブロック図である。
上述したトランジスタおよび/または半導体装置を用いることができる撮像装置の一例を説明する。本実施の形態では、撮像装置610について、図面を参照して説明する。
次に、画素645に用いることができる回路の一例について説明する。図40(A)に示す画素645は、光電変換素子638、トランジスタ612、トランジスタ635、および容量素子633を有する。トランジスタ612のソースまたはドレインの一方は光電変換素子638と電気的に接続される。トランジスタ612のソースまたはドレインの他方はノード637(電荷蓄積部)を介してトランジスタ635のゲートと電気的に接続されている。
図41とは異なる画素645の構成例を図42に示す。
図43(A)は、ダイシング処理が行なわれる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置、CPU、RFタグ、または撮像装置などを設けることができる。
チップ715を電子部品に適用する例について、図44を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。
次に、上述したトランジスタおよび/または半導体装置を用いることができる表示装置の一例を説明する。図45(A)は、表示装置500の構成例を説明するブロック図である。
表示装置500は、様々な形態を用いること、または様々な表示素子を有することが出来る。表示素子の一例としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機EL素子、無機EL素子、または、有機物及び無機物を含む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、液晶素子、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)、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(インターフェロメトリック・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、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するものがある。また、表示素子として量子ドットを用いてもよい。
図45(B)に示す画素回路534は、トランジスタ461と、容量素子463と、トランジスタ468と、トランジスタ464と、を有する。また、図45(B)に示す画素回路534は、表示素子として機能できる発光素子469と電気的に接続されている。
図45(C)に示す画素回路534は、トランジスタ461と、容量素子463と、を有する。また、図45(C)に示す画素回路534は、表示素子として機能できる液晶素子462と電気的に接続されている。トランジスタ461にOSトランジスタを用いることが好ましい。
図47(A)に駆動回路511の構成例を示す。駆動回路511は、シフトレジスタ512、ラッチ回路513、およびバッファ514を有する。また、図47(B)に駆動回路521aの構成例を示す。駆動回路521aは、シフトレジスタ522、およびバッファ523を有する。駆動回路521bも駆動回路521aと同様の構成とすることができる。
上記実施の形態に示したトランジスタを用いて、シフトレジスタを含む駆動回路の一部または全体を画素部と同じ基板上に一体形成して、システムオンパネルを形成することができる。
上述したトランジスタを使用した半導体装置の一例として、表示モジュールについて説明する。図50に示す表示モジュール6000は、上部カバー6001と下部カバー6002との間に、FPC6003に接続されたタッチセンサ6004、FPC6005に接続された表示パネル6006、バックライトユニット6007、フレーム6009、プリント基板6010、バッテリ6011を有する。なお、バックライトユニット6007、バッテリ6011、タッチセンサ6004などは、設けられない場合もある。
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図51に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
本実施の形態では、酸化物半導体の構造について説明する。酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
次に、nc−OSについて説明する。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
本実施の形態では、スパッタリング用ターゲットを設置することが可能な成膜室を有する成膜装置(スパッタリング装置)について説明する。本実施の形態に示す成膜装置は、平行平板型のスパッタリング装置や、対向ターゲット式のスパッタリング装置などに用いることができる。
101 基板
102 絶縁層
103 絶縁層
104 絶縁層
105 電極
106 絶縁層
107 絶縁層
108 絶縁層
109 半導体層
110 電極
111 絶縁層
112 電極
113 絶縁層
114 絶縁層
115 絶縁層
116 電極
117 電極
118 配線
119 絶縁層
129 層
131 部位
132 部位
133 部位
171 開口
174 導電層
175 導電層
176 絶縁層
177 導電層
178 電極
183 開口
185 導電層
186 層
187 層
188 導電層
192 開口
200 トランジスタ
220 ウェル
240 容量素子
241 電極
242 絶縁層
243 電極
244 電極
245 電極
252 配線
253 配線
254 配線
255 配線
256 配線
257 ノード
258 容量素子
259 配線
262 トランジスタ
263 トランジスタ
264 配線
Claims (9)
- 第1乃至第4の電極と、第1乃至第3の半導体層と、第1および第2の層と、第1乃至第3の絶縁層と、第1の配線と、を有する第1のトランジスタと、前記第2の絶縁層と、第4の絶縁層と、第4の半導体層と、第5乃至第7の電極と、を有する第2のトランジスタと、を備える半導体装置であって、
前記第1の絶縁層は、前記第1の配線と重なる領域を有し、
前記第1の電極は、前記第1の配線と重なる領域を有し、
前記第2の絶縁層は、前記第1の電極と重なる領域と、前記第1の絶縁層と重なる領域と、を有し、
前記第1の半導体層は前記第2の絶縁層と重なる領域を有し、
前記第2の半導体層は前記第1の半導体層と重なる領域を有し、
前記第2の半導体層は、第1乃至第3の領域を有し、
前記第3の領域は、前記第1の領域と前記第2の領域に挟まれ、
前記第2の電極は、前記第1の領域と重なる領域を有し、
前記第1の領域と重なる領域において、前記第1の層は、前記第2の電極と重なる領域を有し、
前記第3の電極は、前記第2の領域と重なる領域を有し、
前記第2の領域と重なる領域において、前記第2の層は、前記第3の電極と重なる領域を有し、
前記第3の半導体層は、前記第1の層と重なる領域と、前記第2の層と重なる領域と、前記第3の領域と重なる領域と、を有し、
前記第3の領域と重なる領域において、前記第4の電極は、前記第3の絶縁層を介して前記第3の領域と重なる領域を有し、
前記第4の半導体層は前記第2の絶縁層と重なる領域を有し、
前記第4の絶縁層は、前記第4の半導体層と重なる領域を有し、
前記第4の半導体層は、第4乃至第6の領域を有し、
前記第6の領域は、前記第4の領域と前記第5の領域に挟まれ、
前記第4の領域と重なる領域において、前記第5の電極は、前記第4の半導体層および前記第4の絶縁層を貫通し、
前記第5の電極は、前記第4の半導体層と電気的に接続する領域を有し、
前記第5の領域と重なる領域において、前記第6の電極は、前記第4の半導体層および前記第4の絶縁層を貫通し、
前記第6の電極は、前記第4の半導体層と電気的に接続する領域を有し、
前記第7の電極は、前記第4の絶縁層を介して前記第6の領域と重なる領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1乃至前記第4の半導体層は酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第1および前記第2の層は、酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第3の絶縁層及び前記第4の絶縁層はゲート絶縁層として機能できることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第3の領域にチャネルが形成され、
前記第6の領域にチャネルが形成されることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記第1の絶縁層または前記第2の絶縁層の少なくとも一方は、
過剰酸素を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記第1の電極と前記第4の電極を同電位としたときの、
前記第1のトランジスタのしきい値電圧は、前記第2のトランジスタのしきい値電圧よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか一項において、
前記第4の半導体層の電子親和力は、前記第2の半導体層の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置と、
アンテナ、バッテリ、操作スイッチ、マイク、または、スピーカと、
を有することを特徴とする電子機器。
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