JP7083727B2 - Semiconductor equipment - Google Patents

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Description

本出願の明細書、図面、及び特許請求の範囲(以下、本明細書等と呼ぶ)で開示する本発明の一形態は、半導体装置、及びその動作方法等に関する。なお、本発明の一形態は例示した技術分野に限定されるものではない。 One embodiment of the present invention disclosed in the specification, drawings, and claims of the present application (hereinafter referred to as the present specification and the like) relates to a semiconductor device, an operation method thereof, and the like. It should be noted that one embodiment of the present invention is not limited to the illustrated technical field.

接地電位よりも低い負電位が用いられる半導体装置が知られている。例えば、サブシュレッショルドリーク電流を低減するため、nチャネル型MOSトランジスタの基板バイアス電位は負電位であり、Pチャネル型MOSトランジスタの基板バイアス電位は正電位である(特許文献1)。また、フラッシュメモリでは、動作に応じて、負電位が用いられる(特許文献2)。 Semiconductor devices that use a negative potential lower than the ground potential are known. For example, in order to reduce the subshouldered leak current, the substrate bias potential of the n-channel type MOS transistor is a negative potential, and the substrate bias potential of the P-channel type MOS transistor is a positive potential (Patent Document 1). Further, in the flash memory, a negative potential is used depending on the operation (Patent Document 2).

チャージポンプ回路によって負電位を生成することができる。特許文献2には、キャパシタと、及びダイオード接続されたトランジスタと、を用いたチャージポンプ回路が開示されている。チャージポンプ回路は、コイルを用いずに、例えば入力電位よりも低い電位を生成することができる回路であるため、プロセッサやメモリ等と共に、1つのICチップに集積することが容易である。 Negative potentials can be generated by the charge pump circuit. Patent Document 2 discloses a charge pump circuit using a capacitor and a diode-connected transistor. Since the charge pump circuit is a circuit that can generate a potential lower than, for example, an input potential without using a coil, it can be easily integrated into one IC chip together with a processor, a memory, or the like.

チャージポンプ回路に設けられるトランジスタとして、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタ)、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ(以下、OSトランジスタ)等が挙げられる。例えば、特許文献3には、OSトランジスタを有するチャージポンプ回路が開示されている。 Examples of the transistor provided in the charge pump circuit include a transistor having silicon in the channel forming region (hereinafter, Si transistor), a transistor having a metal oxide in the channel forming region (hereinafter, OS transistor), and the like. For example, Patent Document 3 discloses a charge pump circuit having an OS transistor.

特開平11-191611号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-191611 特開2000-270541号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-270541 特開2011-171700号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-171700

Siトランジスタに用いる材料としては、単結晶シリコン、及び非単結晶シリコン(例えば、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非晶質シリコン等)が挙げられる。例えば、Siトランジスタに単結晶シリコンを用いる場合、OSトランジスタよりオン電流が大きい。よって、Siトランジスタにより構成されたチャージポンプ回路は、OSトランジスタにより構成されたチャージポンプ回路より高速に動作する場合がある。なお、本明細書等において、Siトランジスタには、単結晶シリコンを用いる場合を想定して、以下説明を行う。 Examples of the material used for the Si transistor include single crystal silicon and non-single crystal silicon (for example, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon, etc.). For example, when single crystal silicon is used for the Si transistor, the on-current is larger than that of the OS transistor. Therefore, the charge pump circuit composed of Si transistors may operate at a higher speed than the charge pump circuit composed of OS transistors. In the present specification and the like, the following description will be given on the assumption that single crystal silicon is used for the Si transistor.

しかしながら、Siトランジスタにより構成されたチャージポンプ回路は、高温環境下で基板リーク電流が増加し、正常に動作しない場合がある。一方、OSトランジスタにより構成されたチャージポンプ回路は、高温環境下でも基板リーク電流が発生せず、正常に動作する。 However, the charge pump circuit composed of Si transistors may not operate normally due to an increase in substrate leakage current in a high temperature environment. On the other hand, the charge pump circuit composed of the OS transistor does not generate a substrate leak current even in a high temperature environment and operates normally.

本発明の一態様は、高温環境下でも正常に動作する半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、高速に動作する半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、低価格な半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、微細化、高集積化した半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、回路面積が小さい半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、新規な半導体装置を提供することを課題の1つとする。又は、新規な半導体装置の動作方法を提供することを課題の1つとする。 One of the problems of the present invention is to provide a semiconductor device that operates normally even in a high temperature environment. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device that operates at high speed. Alternatively, one of the issues is to provide a low-priced semiconductor device. Alternatively, one of the issues is to provide a semiconductor device having low power consumption. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device that is miniaturized and highly integrated. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device having a small circuit area. Alternatively, one of the issues is to provide a highly reliable semiconductor device. Alternatively, one of the issues is to provide a new semiconductor device. Alternatively, one of the problems is to provide a method of operating a new semiconductor device.

なお、本発明の一形態はこれらの課題の全てを解決する必要はない。複数の課題の記載は互いの課題の存在を妨げるものではない。列記した以外の課題は本明細書等の記載から自ずと明らかになり、これらの課題も本発明の一形態の課題となり得る。 It should be noted that one form of the present invention does not need to solve all of these problems. The description of multiple issues does not prevent the existence of each other's issues. Issues other than those listed are self-evident from the description of the present specification and the like, and these issues can also be issues of one form of the present invention.

本発明の一態様は、入力端子と、出力端子を有し、入力端子に入力された電位より低い電位を、出力端子から出力する機能を有する半導体装置であって、半導体装置は、第1の電荷転送スイッチと、第2の電荷転送スイッチと、ポンピングキャパシタと、を有し、第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタであるSiトランジスタを複数有し、第2の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタであるOSトランジスタを複数有し、入力端子は、第1及び第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、出力端子は、第1及び第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、ポンピングキャパシタの一方の電極は、第1及び第2の電荷転送スイッチと電気的に接続されている半導体装置である。 One aspect of the present invention is a semiconductor device having an input terminal and an output terminal and having a function of outputting a potential lower than the potential input to the input terminal from the output terminal, wherein the semiconductor device is the first. It has a charge transfer switch, a second charge transfer switch, and a pumping capacitor, and the first charge transfer switch has a plurality of Si transistors, which are transistors having silicon in the channel forming region, and has a second charge. The transfer switch has a plurality of OS transistors which are transistors having a metal oxide in the channel forming region, the input terminal is electrically connected to the first and second charge transfer switches, and the output terminal is the first and second. One electrode of the pumping transistor, which is electrically connected to the second charge transfer switch, is a semiconductor device which is electrically connected to the first and second charge transfer switches.

又は、上記態様において、第2の電荷転送スイッチが有するトランジスタは、全てOSトランジスタであってもよい。 Alternatively, in the above embodiment, all the transistors included in the second charge transfer switch may be OS transistors.

又は、本発明の一態様は、入力端子と、出力端子を有し、入力端子に入力された電位より低い電位を、出力端子から出力する機能を有する半導体装置であって、半導体装置は、第1の電荷転送スイッチと、第2の電荷転送スイッチと、ポンピングキャパシタと、を有し、第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタであるSiトランジスタを複数有し、第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタであるOSトランジスタを1個有し、第2の電荷転送スイッチは、OSトランジスタを複数有し、第2の電荷転送スイッチが有するトランジスタは、全てOSトランジスタであり、入力端子は、第1及び第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、出力端子は、第1の電荷転送スイッチが有するOSトランジスタの、ソース又はドレインの一方と電気的に接続され、出力端子は、第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、ポンピングキャパシタの一方の電極は、第1及び第2の電荷転送スイッチと電気的に接続されている半導体装置である。 Alternatively, one aspect of the present invention is a semiconductor device having an input terminal and an output terminal and having a function of outputting a potential lower than the potential input to the input terminal from the output terminal. The first charge transfer switch has one charge transfer switch, a second charge transfer switch, and a pumping capacitor, and the first charge transfer switch has a plurality of Si transistors which are transistors having silicon in the channel forming region, and is the first. The charge transfer switch has one OS transistor which is a transistor having an oxide semiconductor in the channel forming region, and the second charge transfer switch has a plurality of OS transistors and has a transistor of the second charge transfer switch. Are all OS transistors, the input terminal is electrically connected to the first and second charge transfer switches, and the output terminal is connected to one of the source or drain of the OS transistor of the first charge transfer switch. A semiconductor device that is electrically connected, the output terminal is electrically connected to the second charge transfer switch, and one electrode of the pumping transistor is electrically connected to the first and second charge transfer switches. Is.

又は、上記態様において、第1の電荷転送スイッチが有するSiトランジスタは、pチャネル型トランジスタであってもよい。 Alternatively, in the above embodiment, the Si transistor included in the first charge transfer switch may be a p-channel transistor.

本発明の一態様により、高温環境下でも正常に動作する半導体装置を提供することができる。又は、高速に動作する半導体装置を提供することができる。又は、低価格な半導体装置を提供することができる。又は、低消費電力の半導体装置を提供することができる。又は、微細化、高集積化した半導体装置を提供することができる。又は、回路面積が小さい半導体装置を提供することができる。又は、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。又は、新規な半導体装置を提供することができる。又は、新規な半導体装置の動作方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that operates normally even in a high temperature environment. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that operates at high speed. Alternatively, a low-priced semiconductor device can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that is miniaturized and highly integrated. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having a small circuit area. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, a new semiconductor device can be provided. Alternatively, it is possible to provide a method of operating a novel semiconductor device.

本発明の一形態は、必ずしも、例示した効果の全てを有する必要はない。複数の効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態について、上記以外の課題、効果、及び新規な特徴については、本明細書の記載及び図面から自ずと明らかになるものである。 One embodiment of the invention does not necessarily have all of the illustrated effects. The description of multiple effects does not preclude the existence of other effects. Further, with respect to one embodiment of the present invention, problems, effects, and novel features other than the above will be self-evident from the description and drawings of the present specification.

半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. トランジスタの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a transistor. 半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。A timing chart showing an operation example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of the semiconductor device. トランジスタの構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of a transistor. 半導体装置の構成例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structural example of the semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す回路図。A circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device. 記憶装置の構成例を示すブロック図、及びメモリセルの構成例を示す回路図。A block diagram showing a configuration example of a storage device, and a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell. トランジスタの構成例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a configuration example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a configuration example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a configuration example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a configuration example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図、及び断面図。Top view and sectional view showing a configuration example of a transistor. 電子機器の一例を示す図。The figure which shows an example of the electronic device. 電子機器の一例を示す図。The figure which shows an example of the electronic device. 電子機器の一例を示す図。The figure which shows an example of the electronic device. シミュレーションを行った半導体装置の構成を示す回路図。A circuit diagram showing the configuration of a simulated semiconductor device. シミュレーション結果を示すグラフ。A graph showing the simulation results.

以下に本発明の実施の形態を示す。ただし、本明細書に記載された実施の形態を適宜組み合わせることが可能である。また、1つの実施の形態の中に複数の構成例(動作例、製造方法例も含む)が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。また、本発明は、多くの異なる形態で実施することが可能であり、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、以下の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。 An embodiment of the present invention is shown below. However, the embodiments described herein can be combined as appropriate. Further, when a plurality of configuration examples (including operation examples and manufacturing method examples) are shown in one embodiment, it is possible to appropriately combine the configuration examples with each other. Further, it is easily understood by those skilled in the art that the present invention can be carried out in many different forms, and the forms and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. To. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.

図面において、大きさ、層の厚さ、及び領域等は、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。図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値等に限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき等を含むことが可能である。 In the drawings, the size, layer thickness, area, etc. may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes, values, and the like shown in the drawings. For example, it is possible to include variations in the signal, voltage, or current due to noise, or variations in the signal, voltage, or current due to timing deviation.

本明細書において、「上に」、「下に」等の配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている場合がある。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In the present specification, words and phrases indicating arrangements such as "above" and "below" may be used for convenience in order to explain the positional relationship between configurations with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the configurations changes appropriately depending on the direction in which each configuration is depicted. Therefore, it is not limited to the words and phrases explained in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

図面に記載したブロック図の各回路ブロックの配置は、説明のため位置関係を特定するものであり、本発明の一形態の回路ブロックの配置は、これに限定されない。ブロック図において、異なる回路ブロックで別々の機能を実現するよう示していても、実際の回路ブロックにおいては同じ回路ブロック内で別々の機能を実現しうるように設けられている場合もある。また各回路ブロックの機能は、説明のため機能を特定するものであり、一つの回路ブロックとして示していても、実際の回路ブロックにおいては一つの回路ブロックで行う処理を、複数の回路ブロックで行うように設けられている場合もある。 The arrangement of each circuit block in the block diagram described in the drawings specifies the positional relationship for the sake of explanation, and the arrangement of the circuit blocks of one embodiment of the present invention is not limited to this. Even if the block diagram shows that different circuit blocks realize different functions, the actual circuit block may be provided so that different functions can be realized in the same circuit block. Further, the function of each circuit block is for specifying the function for explanation, and even if it is shown as one circuit block, in the actual circuit block, the processing performed by one circuit block is performed by a plurality of circuit blocks. In some cases, it is provided as such.

本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子(トランジスタ、ダイオード等)を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップは、半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置、及び電子機器等は、それ自体が半導体装置である場合があり、又は半導体装置を有している場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device is a device utilizing semiconductor characteristics, and refers to a circuit including a semiconductor element (transistor, diode, etc.), a device having the same circuit, and the like. It also refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an integrated circuit and a chip provided with an integrated circuit are examples of semiconductor devices. Further, the storage device, the display device, the light emitting device, the lighting device, the electronic device, and the like may be a semiconductor device itself, or may have a semiconductor device.

本明細書等では、接地電位を0Vとみなし、正電位、負電位とは接地電位を0V基準にした電位である。 In the present specification and the like, the ground potential is regarded as 0V, and the positive potential and the negative potential are potentials with the ground potential as a reference.

本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に開示されているものとする。X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、等)であるとする。 In the present specification and the like, when it is explicitly stated that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y are functionally connected. It is assumed that the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are directly connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to the predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and the connection relationship other than the connection relationship shown in the figure or text is also disclosed in the figure or text. It is assumed that X and Y are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

トランジスタは、ゲート、ソース、及びドレインと呼ばれる3つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御ノードとしての機能を有するノードである。ソース又はドレインとしての機能を有する2つの入出力ノードは、トランジスタの型及び各端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 Transistors have three terminals called gates, sources, and drains. The gate is a node having a function as a control node for controlling the conduction state of the transistor. Two input / output nodes having a function as a source or a drain have one as a source and the other as a drain depending on the type of transistor and the high and low potentials given to each terminal. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

ノードは、回路構成やデバイス構造等に応じて、端子、配線、電極、導電層、導電体、不純物領域等と言い換えることが可能である。また、端子、配線等をノードと言い換えることが可能である。 A node can be paraphrased as a terminal, wiring, an electrode, a conductive layer, a conductor, an impurity region, or the like, depending on a circuit configuration, a device structure, or the like. In addition, terminals, wiring, etc. can be paraphrased as nodes.

電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位又はソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。 The voltage often indicates the potential difference between a certain potential and a reference potential (eg, ground potential or source potential). Therefore, it is possible to paraphrase voltage as electric potential.

本明細書等において、「体」という言葉と、「膜」という言葉と、「層」という言葉と、は、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電体」という言葉を「導電膜」という言葉、又は「導電層」という言葉に変更することが可能な場合がある。例えば、「絶縁体」という言葉を「絶縁膜」という言葉、又は「絶縁層」という言葉に変更することが可能な場合がある。 In the present specification and the like, the word "body", the word "membrane", and the word "layer" can be interchanged with each other in some cases or depending on the situation. For example, it may be possible to change the word "conductor" to the word "conductive film" or the word "conductive layer". For example, it may be possible to change the word "insulator" to the word "insulating film" or the word "insulating layer".

本明細書等において、“第1”、“第2”、“第3”という序数詞は構成要素の混同を避けるために付す場合があり、その場合は数的に限定するものではなく、また順序を限定するものでもない。 In the present specification and the like, the ordinal numbers "first", "second", and "third" may be added to avoid confusion of the components, in which case the order is not limited numerically. It does not limit.

本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductor又は単にOSともいう)等に分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、OS FETと記載する場合においては、金属酸化物又は酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。 In the present specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad sense. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as Oxide Semiconductor or simply OS) and the like. For example, when a metal oxide is used for the semiconductor layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when it is described as an OS FET, it can be rephrased as a transistor having a metal oxide or an oxide semiconductor.

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。 Further, in the present specification and the like, a metal oxide having nitrogen may also be collectively referred to as a metal oxide.

(実施の形態1)
本実施の形態は、本発明の一態様の半導体装置について説明する。
(Embodiment 1)
The present embodiment describes the semiconductor device of one aspect of the present invention.

本発明の一態様は、半導体装置の一種であるチャージポンプ回路に関する。例えば、入力電位より低い電位を出力する機能を有するチャージポンプ回路に関する。本発明の一態様の半導体装置は、第1の電荷転送スイッチと、第2の電荷転送スイッチと、を有する。上記入力電位は、第1及び第2の電荷転送スイッチに入力される。 One aspect of the present invention relates to a charge pump circuit which is a kind of semiconductor device. For example, the present invention relates to a charge pump circuit having a function of outputting a potential lower than an input potential. The semiconductor device of one aspect of the present invention includes a first charge transfer switch and a second charge transfer switch. The input potential is input to the first and second charge transfer switches.

第1の電荷転送スイッチは、ダイオード接続されたSiトランジスタを複数有し、当該Siトランジスタが直列に接続されている。第2の電荷転送スイッチは、ダイオード接続されたOSトランジスタを複数有し、当該OSトランジスタが直列に接続されている。 The first charge transfer switch has a plurality of Si transistors connected by diodes, and the Si transistors are connected in series. The second charge transfer switch has a plurality of diode-connected OS transistors, and the OS transistors are connected in series.

Siトランジスタは、OSトランジスタよりオン電流が大きい。よって、第1の電荷転送スイッチは、第2の電荷転送スイッチより高速に動作する。したがって、第1の電荷転送スイッチが正常に動作する場合には、第1の電荷転送スイッチの出力電位は、第2の電荷転送スイッチの出力電位より低くなる。 The Si transistor has a larger on-current than the OS transistor. Therefore, the first charge transfer switch operates at a higher speed than the second charge transfer switch. Therefore, when the first charge transfer switch operates normally, the output potential of the first charge transfer switch is lower than the output potential of the second charge transfer switch.

しかしながら、Siトランジスタは、高温環境下等では基板リーク電流が増加するという特性を有する。よって、第1の電荷転送スイッチは、高温環境下等では正常に動作しない場合がある。一方、OSトランジスタは、高温環境下等でも基板リーク電流が発生しないという特性を有する。よって、第2の電荷転送スイッチは、高温環境下等でも正常に動作する。 However, the Si transistor has a characteristic that the substrate leakage current increases in a high temperature environment or the like. Therefore, the first charge transfer switch may not operate normally in a high temperature environment or the like. On the other hand, the OS transistor has a characteristic that a substrate leakage current does not occur even in a high temperature environment or the like. Therefore, the second charge transfer switch operates normally even in a high temperature environment or the like.

本発明の一態様の半導体装置は、第1の電荷転送スイッチの出力電位、又は第2の電荷転送スイッチの出力電位のうち、低い方の電位に対応する電位を出力することができる。よって、室温環境下(代表的には25℃)等、第1の電荷転送スイッチが正常に動作する環境下では、第1の電荷転送スイッチの出力電位が半導体装置から出力される。一方、高温環境下等、第1の電荷転送スイッチが正常に動作しない環境下では、第2の電荷転送スイッチの出力電位が半導体装置から出力される。 The semiconductor device of one aspect of the present invention can output the potential corresponding to the lower potential of the output potential of the first charge transfer switch or the output potential of the second charge transfer switch. Therefore, in an environment in which the first charge transfer switch operates normally, such as in a room temperature environment (typically 25 ° C.), the output potential of the first charge transfer switch is output from the semiconductor device. On the other hand, in an environment where the first charge transfer switch does not operate normally, such as in a high temperature environment, the output potential of the second charge transfer switch is output from the semiconductor device.

以上、本発明の一態様の半導体装置は、室温環境下等、第1の電荷転送スイッチが正常に動作する環境下では、高速に動作することができる。一方、本発明の一態様の半導体装置は、高温環境下等、第1の電荷転送スイッチが正常に動作しない環境下でも、第2の電荷転送スイッチにより正常に動作することができる。 As described above, the semiconductor device according to one aspect of the present invention can operate at high speed in an environment in which the first charge transfer switch normally operates, such as in a room temperature environment. On the other hand, the semiconductor device of one aspect of the present invention can be normally operated by the second charge transfer switch even in an environment where the first charge transfer switch does not normally operate, such as in a high temperature environment.

以上の動作は、例えば温度センサにより温度を測定し、測定結果に応じて、半導体装置から出力される電位を第1の電荷転送スイッチの出力電位、及び第2の電荷転送スイッチの出力電位から選択する等の、特別な制御をしなくても行うことができる。よって、本発明の一態様の半導体装置を、低価格なものとすることができる。 In the above operation, for example, the temperature is measured by a temperature sensor, and the potential output from the semiconductor device is selected from the output potential of the first charge transfer switch and the output potential of the second charge transfer switch according to the measurement result. It can be performed without any special control such as. Therefore, the semiconductor device of one aspect of the present invention can be made inexpensive.

<半導体装置の構成例>
図1(A)は、本発明の一態様の半導体装置である、半導体装置10の構成例を示す回路図である。半導体装置10として、例えばチャージポンプ回路とすることができる。
<Semiconductor device configuration example>
FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device 10, which is a semiconductor device according to an aspect of the present invention. The semiconductor device 10 can be, for example, a charge pump circuit.

半導体装置10は、入力端子INと、出力端子OUTと、電荷転送スイッチ20と、電荷転送スイッチ30と、容量素子群40と、クロック信号生成回路11と、容量素子12と、を有する。電荷転送スイッチ20は、2個以上のトランジスタ21を有する。電荷転送スイッチ30は、2個以上のトランジスタ31を有する。容量素子群40は、1個以上の容量素子41を有する。クロック信号生成回路11は、クロック信号入力端子ICK、並びにクロック信号出力端子OCK及びクロック信号出力端子OCKBを有する。 The semiconductor device 10 includes an input terminal IN, an output terminal OUT, a charge transfer switch 20, a charge transfer switch 30, a capacitive element group 40, a clock signal generation circuit 11, and a capacitive element 12. The charge transfer switch 20 has two or more transistors 21. The charge transfer switch 30 has two or more transistors 31. The capacitive element group 40 has one or more capacitive elements 41. The clock signal generation circuit 11 has a clock signal input terminal ICK, a clock signal output terminal OCK, and a clock signal output terminal OCKB.

ここで、トランジスタ21及びトランジスタ31は、nチャネル型トランジスタとすることができる。 Here, the transistor 21 and the transistor 31 can be n-channel type transistors.

図1(A)では、電荷転送スイッチ20がトランジスタ21を5個有し、電荷転送スイッチ30がトランジスタ31を5個有し、容量素子群40が容量素子41を4個有する構成を示しているが、本発明の一態様はこれに限らない。例えば、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタ21の個数は4個以下でもよいし、6個以上でもよい。また、電荷転送スイッチ30が有するトランジスタ31の個数は4個以下でもよいし、6個以上でもよい。さらに、容量素子群40が有する容量素子41の個数は、トランジスタ21の個数、又はトランジスタ31の個数に応じて、3個以下、又は5個以上とすることができる。 FIG. 1A shows a configuration in which the charge transfer switch 20 has five transistors 21, the charge transfer switch 30 has five transistors 31, and the capacitive element group 40 has four capacitive elements 41. However, one aspect of the present invention is not limited to this. For example, the number of transistors 21 included in the charge transfer switch 20 may be 4 or less, or 6 or more. Further, the number of transistors 31 included in the charge transfer switch 30 may be 4 or less, or 6 or more. Further, the number of the capacitive elements 41 included in the capacitive element group 40 can be 3 or less or 5 or more depending on the number of the transistors 21 or the number of the transistors 31.

図1(A)では、5個のトランジスタ21を、それぞれトランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]と記載して区別している。また、5個のトランジスタ31を、それぞれトランジスタ31[1]乃至トランジスタ31[5]と記載して区別している。さらに、4個の容量素子41を、それぞれ容量素子41[1]乃至容量素子41[4]と記載して区別している。なお、他の図面、他の素子等においても、同様の表記をする場合がある。 In FIG. 1A, the five transistors 21 are described as transistors 21 [1] to 21 [5], respectively, to distinguish them. Further, the five transistors 31 are described as transistors 31 [1] to 31 [5], respectively, to distinguish them. Further, the four capacitive elements 41 are described as capacitive elements 41 [1] to 41 [4], respectively, to distinguish them. The same notation may be used in other drawings, other elements, and the like.

また、本明細書等において、括弧内の数字が大きい素子を、括弧内の数字が小さい素子より後段の素子という。例えば、トランジスタ21[2]は、トランジスタ21[1]より後段のトランジスタ21であり、容量素子41[4]は、容量素子41[1]乃至容量素子41[3]より後段の容量素子41である。 Further, in the present specification and the like, an element having a large number in parentheses is referred to as an element after the element having a small number in parentheses. For example, the transistor 21 [2] is a transistor 21 after the transistor 21 [1], and the capacitive element 41 [4] is a capacitive element 41 after the capacitive element 41 [1] to the capacitive element 41 [3]. be.

トランジスタ21及びトランジスタ31は、ダイオード接続されている。ダイオード接続とは、トランジスタのゲートとドレインを接続することをいう。ダイオード接続されたトランジスタは、ドレインの電位がゲートの電位と等しくなる。当該トランジスタがnチャネル型のトランジスタである場合、ゲート電位とソース電位との差(ゲート電圧)がトランジスタのしきい値電圧より大きくなると、Ids-Vgs特性に従った電流が、トランジスタのドレインからソースに流れる。一方、ゲート電圧がトランジスタのしきい値電圧以下である場合は、トランジスタのソース-ドレイン間に電流が流れない。以上より、ダイオード接続されたnチャネル型のトランジスタは、ドレインを陽極、ソースを陰極としたダイオードとしての機能を有するということができる。 The transistor 21 and the transistor 31 are connected by a diode. Diode connection means connecting the gate and drain of a transistor. In a diode-connected transistor, the drain potential is equal to the gate potential. When the transistor is an n-channel type transistor and the difference between the gate potential and the source potential (gate voltage) becomes larger than the threshold voltage of the transistor, the current according to the Ids-Vgs characteristic flows from the drain of the transistor to the source. Flow to. On the other hand, when the gate voltage is equal to or lower than the threshold voltage of the transistor, no current flows between the source and drain of the transistor. From the above, it can be said that the diode-connected n-channel transistor has a function as a diode having a drain as an anode and a source as a cathode.

ダイオード接続されたトランジスタがpチャネル型のトランジスタである場合、ゲート電圧がトランジスタのしきい値電圧より小さくなると、Ids-Vgs特性に従った電流が、トランジスタのソースからドレインに流れる。一方、ゲート電圧がトランジスタのしきい値電圧以上である場合、トランジスタのソース-ドレイン間に電流が流れない。以上より、ダイオード接続されたpチャネル型のトランジスタは、ソースを陽極、ドレインを陰極としたダイオードとしての機能を有するということができる。 When the diode-connected transistor is a p-channel type transistor, when the gate voltage becomes smaller than the threshold voltage of the transistor, a current according to the Ids-Vgs characteristic flows from the source of the transistor to the drain. On the other hand, when the gate voltage is equal to or higher than the threshold voltage of the transistor, no current flows between the source and drain of the transistor. From the above, it can be said that the diode-connected p-channel transistor has a function as a diode having an anode as a source and a cathode as a drain.

図1(A)に示す構成の半導体装置10において、トランジスタ21[1]のソース、及びトランジスタ31[1]のソースは、入力端子INと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1A, the source of the transistor 21 [1] and the source of the transistor 31 [1] are electrically connected to the input terminal IN.

また、容量素子41[1]の一方の電極は、トランジスタ21[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[2]のソース、トランジスタ31[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[2]の一方の電極は、トランジスタ21[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[3]のソース、トランジスタ31[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[3]の一方の電極は、トランジスタ21[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[4]のソース、トランジスタ31[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[4]の一方の電極は、トランジスタ21[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[5]のソース、トランジスタ31[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[5]のソースと電気的に接続されている。つまり、トランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]は直列に接続されているということができ、トランジスタ31[1]乃至トランジスタ31[5]は直列に接続されているということができる。 Further, one electrode of the capacitive element 41 [1] includes a gate and drain of the transistor 21 [1], a source of the transistor 21 [2], a gate and drain of the transistor 31 [1], and a source of the transistor 31 [2]. It is electrically connected. One electrode of the capacitive element 41 [2] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [2], the source of the transistor 21 [3], the gate and drain of the transistor 31 [2], and the source and drain of the transistor 31 [3]. It is connected to the. One electrode of the capacitive element 41 [3] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [3], the source of the transistor 21 [4], the gate and drain of the transistor 31 [3], and the source and drain of the transistor 31 [4]. It is connected to the. One electrode of the capacitive element 41 [4] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [4], the source of the transistor 21 [5], the gate and drain of the transistor 31 [4], and the source and drain of the transistor 31 [5]. It is connected to the. That is, it can be said that the transistors 21 [1] to 21 [5] are connected in series, and the transistors 31 [1] to 31 [5] are connected in series.

さらに、トランジスタ21[5]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[5]のゲート及びドレインは、出力端子OUTと電気的に接続されている。また、出力端子OUTは、容量素子12の一方の電極と電気的に接続されている。つまり、最終段のトランジスタ21のゲート及びドレイン、最終段のトランジスタ31のゲート及びドレインは、出力端子OUT、及び容量素子12の一方の電極と電気的に接続されている。 Further, the gate and drain of the transistor 21 [5] and the gate and drain of the transistor 31 [5] are electrically connected to the output terminal OUT. Further, the output terminal OUT is electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 12. That is, the gate and drain of the transistor 21 in the final stage, the gate and drain of the transistor 31 in the final stage are electrically connected to one of the electrodes of the output terminal OUT and the capacitive element 12.

クロック信号生成回路11が有するクロック信号出力端子OCKは、容量素子41[1]の他方の電極、及び容量素子41[3]の他方の電極と電気的に接続されている。クロック信号生成回路11が有するクロック信号出力端子OCKBは、容量素子41[2]の他方の電極、及び容量素子41[4]の他方の電極と電気的に接続されている。 The clock signal output terminal OCK included in the clock signal generation circuit 11 is electrically connected to the other electrode of the capacitive element 41 [1] and the other electrode of the capacitive element 41 [3]. The clock signal output terminal OCKB included in the clock signal generation circuit 11 is electrically connected to the other electrode of the capacitive element 41 [2] and the other electrode of the capacitive element 41 [4].

クロック信号生成回路11は、クロック信号入力端子ICKから入力されるクロック信号を基にして、2種類のクロック信号を生成し、それぞれクロック信号出力端子OCK、及びクロック信号出力端子OCKBから出力する機能を有する。例えば、クロック信号出力端子OCKからは、クロック信号入力端子ICKに入力されるクロック信号と同位相のクロック信号を出力することができる。一方、クロック信号出力端子OCKBからは、クロック信号入力端子ICKに入力されるクロック信号と逆位相のクロック信号を出力することができる。 The clock signal generation circuit 11 has a function of generating two types of clock signals based on the clock signal input from the clock signal input terminal ICK and outputting them from the clock signal output terminal OCK and the clock signal output terminal OCKB, respectively. Have. For example, a clock signal having the same phase as the clock signal input to the clock signal input terminal ICK can be output from the clock signal output terminal OCK. On the other hand, the clock signal output terminal OCKB can output a clock signal having a phase opposite to that of the clock signal input to the clock signal input terminal ICK.

以上より、クロック信号出力端子OCKから出力されるクロック信号と、クロック信号出力端子OCKBから出力されるクロック信号は、互いに逆位相とすることができる。これにより、隣接する容量素子41の他方の電極には、互いに逆位相のクロック信号を入力することができる。つまり、容量素子41[1]の他方の電極に入力されるクロック信号と、容量素子41[2]の他方の電極に入力されるクロック信号は、互いに逆位相であるということができる。また、容量素子41[2]の他方の電極に入力されるクロック信号と、容量素子41[3]の他方の電極に入力されるクロック信号は、互いに逆位相であるということができる。さらに、容量素子41[3]の他方の電極に入力されるクロック信号と、容量素子41[4]の他方の電極に入力されるクロック信号は、互いに逆位相であるということができる。 From the above, the clock signal output from the clock signal output terminal OCK and the clock signal output from the clock signal output terminal OCKB can be in opposite phase to each other. As a result, clock signals having opposite phases can be input to the other electrodes of the adjacent capacitive elements 41. That is, it can be said that the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [1] and the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [2] are out of phase with each other. Further, it can be said that the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [2] and the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [3] are out of phase with each other. Further, it can be said that the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [3] and the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 [4] are out of phase with each other.

電荷転送スイッチ20、及び電荷転送スイッチ30は、容量素子41の他方の電極に入力されるクロック信号の位相が切り替わる際に、容量素子41に保持された電荷を転送することができる。よって、容量素子41は、ポンピングキャパシタとしての機能を有するということができる。 The charge transfer switch 20 and the charge transfer switch 30 can transfer the charge held in the capacitive element 41 when the phase of the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 41 is switched. Therefore, it can be said that the capacitive element 41 has a function as a pumping capacitor.

入力端子INには、電位VSSを入力することができる。電位VSSは、例えば接地電位とすることができる。 The potential VSS can be input to the input terminal IN. The potential VSS can be, for example, a ground potential.

入力端子OUTからは、電荷転送スイッチ20から出力される電位、又は電荷転送スイッチ30から出力される電位のうち、低い方の電位に対応する電位が出力される。電荷転送スイッチ20から出力される電位、又は電荷転送スイッチ30から出力される電位は、いずれも入力端子INに入力される電位より低い。よって、出力端子OUTから出力される電位は、入力端子INから入力される電位より低くなる。つまり、半導体装置10は、降圧型のチャージポンプ回路であるということができる。 From the input terminal OUT, a potential corresponding to the lower potential of the potential output from the charge transfer switch 20 or the potential output from the charge transfer switch 30 is output. The potential output from the charge transfer switch 20 or the potential output from the charge transfer switch 30 is lower than the potential input to the input terminal IN. Therefore, the potential output from the output terminal OUT is lower than the potential input from the input terminal IN. That is, it can be said that the semiconductor device 10 is a step-down type charge pump circuit.

容量素子12は、電荷転送スイッチ20から転送される電荷、及び電荷転送スイッチ30から転送される電荷を保持する機能を有する。容量素子12を設けることにより、出力端子OUTから出力される電位の変動を抑制することができる。なお、トランジスタ21[5]及びトランジスタ31[5]のゲート容量が大きい場合等は、容量素子12を設けなくてもよい。 The capacitive element 12 has a function of holding the charge transferred from the charge transfer switch 20 and the charge transferred from the charge transfer switch 30. By providing the capacitive element 12, it is possible to suppress fluctuations in the potential output from the output terminal OUT. When the gate capacitance of the transistor 21 [5] and the transistor 31 [5] is large, the capacitive element 12 may not be provided.

容量素子12の他方の電極には、電位VSSを供給することができる。なお、図1(A)では入力端子INに入力される電位と、容量素子12の他方の電極に供給される電位は、どちらも電位VSSとしているが、入力端子INに入力される電位と容量素子12の他方の電極に供給される電位は等しくなくてもよい。 A potential VSS can be supplied to the other electrode of the capacitive element 12. In FIG. 1A, the potential input to the input terminal IN and the potential supplied to the other electrode of the capacitance element 12 are both potential VSS, but the potential and capacitance input to the input terminal IN The potentials supplied to the other electrode of the element 12 do not have to be equal.

トランジスタ21として、Siトランジスタを用いることができる。一方、トランジスタ31として、OSトランジスタを用いることができる。OSトランジスタとして、インジウムを含む金属酸化物を有するトランジスタ等を用いることができる。 A Si transistor can be used as the transistor 21. On the other hand, an OS transistor can be used as the transistor 31. As the OS transistor, a transistor having a metal oxide containing indium or the like can be used.

Siトランジスタは、OSトランジスタよりオン電流が大きいという特徴を有する。よって、電荷転送スイッチ20は、電荷転送スイッチ30より高速に動作する。したがって、電荷転送スイッチ20が正常に動作する場合には、電荷転送スイッチ20の出力電位は、電荷転送スイッチ30の出力電位より低くなるので、出力端子OUTの電位は電荷転送スイッチ20の出力電位に対応する電位となる。 The Si transistor has a feature that the on-current is larger than that of the OS transistor. Therefore, the charge transfer switch 20 operates at a higher speed than the charge transfer switch 30. Therefore, when the charge transfer switch 20 operates normally, the output potential of the charge transfer switch 20 is lower than the output potential of the charge transfer switch 30, so that the potential of the output terminal OUT becomes the output potential of the charge transfer switch 20. It becomes the corresponding potential.

しかしながら、Siトランジスタは、高温環境下等では基板リーク電流が増加するという特性を有する。よって、電荷転送スイッチ20は、高温環境下等では正常に動作しない場合がある。一方、OSトランジスタは、高温環境下等でも基板リーク電流が発生しないという特性を有する。よって、電荷転送スイッチ30は、高温環境下等でも正常に動作する。よって、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない高温環境下等では、出力端子OUTの電位は電荷転送スイッチ30の出力電位に対応する電位となる。 However, the Si transistor has a characteristic that the substrate leakage current increases in a high temperature environment or the like. Therefore, the charge transfer switch 20 may not operate normally in a high temperature environment or the like. On the other hand, the OS transistor has a characteristic that a substrate leakage current does not occur even in a high temperature environment or the like. Therefore, the charge transfer switch 30 operates normally even in a high temperature environment or the like. Therefore, in a high temperature environment where the charge transfer switch 20 does not operate normally, the potential of the output terminal OUT becomes a potential corresponding to the output potential of the charge transfer switch 30.

以上、半導体装置10は、室温環境下等、電荷転送スイッチ20が正常に動作する環境下では、高速に動作することができる。一方、半導体装置10は、高温環境下等、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない環境下でも、電荷転送スイッチ30により正常に動作することができる。特に、電荷転送スイッチ30が有するトランジスタ31の全てをOSトランジスタとすることにより、例えば半導体装置10を高温環境下に置いたとしても半導体装置10の信頼性低下を抑制することができるので好ましい。 As described above, the semiconductor device 10 can operate at high speed in an environment in which the charge transfer switch 20 normally operates, such as in a room temperature environment. On the other hand, the semiconductor device 10 can be normally operated by the charge transfer switch 30 even in an environment where the charge transfer switch 20 does not operate normally, such as in a high temperature environment. In particular, it is preferable to use all the transistors 31 included in the charge transfer switch 30 as OS transistors because it is possible to suppress a decrease in reliability of the semiconductor device 10 even if the semiconductor device 10 is placed in a high temperature environment, for example.

以上の動作は、例えば温度センサにより温度を測定し、測定結果に応じて、出力端子OUTの電位を電荷転送スイッチ20の出力電位に対応する電位、及び電荷転送スイッチ30の出力電位に対応する電位から選択する等の、特別な制御をしなくても行うことができる。よって、半導体装置10を、低価格なものとすることができる。 In the above operation, for example, the temperature is measured by a temperature sensor, and the potential of the output terminal OUT corresponds to the potential corresponding to the output potential of the charge transfer switch 20 and the potential corresponding to the output potential of the charge transfer switch 30 according to the measurement result. It can be performed without any special control such as selecting from. Therefore, the semiconductor device 10 can be made inexpensive.

なお、前述のように、OSトランジスタによって構成される電荷転送スイッチ30は、Siトランジスタによって構成される電荷転送スイッチ20より動作速度が遅い。よって、高温環境下等、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない環境下では、電荷転送スイッチ20が正常に動作する環境下より、クロック信号の周波数を高くすることが好ましい。これにより、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない環境下であっても、半導体装置10の動作速度が低下することを抑制することができる。 As described above, the charge transfer switch 30 composed of the OS transistor has a slower operating speed than the charge transfer switch 20 composed of the Si transistor. Therefore, in an environment where the charge transfer switch 20 does not operate normally, such as in a high temperature environment, it is preferable to set the frequency of the clock signal higher than in an environment in which the charge transfer switch 20 normally operates. As a result, it is possible to suppress a decrease in the operating speed of the semiconductor device 10 even in an environment in which the charge transfer switch 20 does not operate normally.

また、トランジスタ21は、トランジスタ31よりオン電流が大きければ、Siトランジスタでなくてもよい。また、トランジスタ31は、高温環境下等、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない環境下でも電荷転送スイッチ30が正常に動作すれば、OSトランジスタでなくてもよい。 Further, the transistor 21 does not have to be a Si transistor as long as the on-current is larger than that of the transistor 31. Further, the transistor 31 does not have to be an OS transistor as long as the charge transfer switch 30 operates normally even in an environment where the charge transfer switch 20 does not operate normally, such as in a high temperature environment.

図1(A)では、電荷転送スイッチ20に、nチャネル型トランジスタであるトランジスタ21を設けた場合の半導体装置10の構成例を示しているが、電荷転送スイッチ20にはpチャネル型トランジスタを設けてもよい。図1(B)は、電荷転送スイッチ20にpチャネル型トランジスタであるトランジスタ22を設けた場合の、半導体装置10の構成例を示す回路図である。なお、図1(B)では、電荷転送スイッチ20がトランジスタ22を5個有する構成を示しているが、トランジスタ21と同様に、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタ22の個数は4個以下でもよいし、6個以上でもよい。 FIG. 1A shows a configuration example of the semiconductor device 10 in the case where the charge transfer switch 20 is provided with the transistor 21 which is an n-channel transistor, but the charge transfer switch 20 is provided with the p-channel transistor. You may. FIG. 1B is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device 10 when a transistor 22 which is a p-channel type transistor is provided in a charge transfer switch 20. Although FIG. 1B shows a configuration in which the charge transfer switch 20 has five transistors 22, the number of transistors 22 included in the charge transfer switch 20 may be four or less, as in the transistor 21. , 6 or more may be used.

トランジスタ22は、トランジスタ21と同様に、ダイオード接続されている。つまり、トランジスタ22は、ゲートとドレインが接続されている。 The transistor 22 is diode-connected like the transistor 21. That is, the transistor 22 is connected to the gate and the drain.

図1(B)に示す構成の半導体装置10では、トランジスタ22[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[1]のソースは、入力端子INと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1B, the gate and drain of the transistor 22 [1] and the source of the transistor 31 [1] are electrically connected to the input terminal IN.

また、容量素子41[1]の一方の電極は、トランジスタ22[1]のソース、トランジスタ22[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[2]の一方の電極は、トランジスタ22[2]のソース、トランジスタ22[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[3]の一方の電極は、トランジスタ22[3]のソース、トランジスタ22[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子41[4]の一方の電極は、トランジスタ22[4]のソース、トランジスタ22[5]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[5]のソースと電気的に接続されている。つまり、トランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]と同様に、トランジスタ22[1]乃至トランジスタ22[5]は直列に接続されているということができる。 Further, one electrode of the capacitive element 41 [1] includes a source of the transistor 22 [1], a gate and drain of the transistor 22 [2], a gate and drain of the transistor 31 [1], and a source of the transistor 31 [2]. It is electrically connected. One electrode of the capacitive element 41 [2] is electrically connected to the source of the transistor 22 [2], the gate and drain of the transistor 22 [3], the gate and drain of the transistor 31 [2], and the source and drain of the transistor 31 [3]. It is connected to the. One electrode of the capacitive element 41 [3] is the source of the transistor 22 [3], the gate and drain of the transistor 22 [4], the gate and drain of the transistor 31 [3], and the source and electrical of the transistor 31 [4]. It is connected to the. One electrode of the capacitive element 41 [4] is the source of the transistor 22 [4], the gate and drain of the transistor 22 [5], the gate and drain of the transistor 31 [4], and the source and electrical of the transistor 31 [5]. It is connected to the. That is, it can be said that the transistor 22 [1] to the transistor 22 [5] are connected in series as in the transistor 21 [1] to the transistor 21 [5].

さらに、トランジスタ22[5]のソース、トランジスタ31[5]のゲート及びドレインは、出力端子OUTと電気的に接続されている。つまり、最終段のトランジスタ22のソース、最終段のトランジスタ31のゲート及びドレインは、出力端子OUTと電気的に接続されている。その他の接続関係等は、図1(A)に示す構成の半導体装置10と同様である。 Further, the source of the transistor 22 [5] and the gate and drain of the transistor 31 [5] are electrically connected to the output terminal OUT. That is, the source of the transistor 22 in the final stage and the gate and drain of the transistor 31 in the final stage are electrically connected to the output terminal OUT. Other connection relationships and the like are the same as those of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (A).

トランジスタ22として、トランジスタ21と同様にSiトランジスタを用いることができる。なお、トランジスタ22は、トランジスタ21と同様に、トランジスタ31よりオン電流が大きければSiトランジスタでなくてもよい。 As the transistor 22, a Si transistor can be used as in the transistor 21. As with the transistor 21, the transistor 22 does not have to be a Si transistor as long as the on-current is larger than that of the transistor 31.

図1(A)に示す構成の半導体装置10は、電荷転送スイッチ20に設けられるトランジスタを全てトランジスタ21とし、図1(B)に示す構成の半導体装置10は、電荷転送スイッチ20に設けられるトランジスタを全てトランジスタ22としたが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、電荷転送スイッチ20が、トランジスタ21とトランジスタ22の両方を有する構成としてもよい。つまり、電荷転送スイッチ20が、nチャネル型トランジスタとpチャネル型トランジスタの両方を有してもよい。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (A), all the transistors provided in the charge transfer switch 20 are used as transistors 21, and the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (B) is a transistor provided in the charge transfer switch 20. However, one aspect of the present invention is not limited to this. For example, the charge transfer switch 20 may have both the transistor 21 and the transistor 22. That is, the charge transfer switch 20 may have both an n-channel transistor and a p-channel transistor.

図1(A)、(B)に示す構成の半導体装置10は、降圧型のチャージポンプであるが、昇圧型のチャージポンプとしてもよい。図2(A)、(B)は、半導体装置10を昇圧型のチャージポンプとした場合の、半導体装置10の回路図である。 The semiconductor device 10 having the configuration shown in FIGS. 1A and 1B is a step-down type charge pump, but may be a step-up type charge pump. 2A and 2B are circuit diagrams of the semiconductor device 10 when the semiconductor device 10 is a step-up charge pump.

図2(A)、(B)に示す構成の半導体装置10では、電荷転送スイッチ20に設けられたトランジスタ、及び電荷転送スイッチ30に設けられたトランジスタのソースとドレインが、図1(A)、(B)に示す構成の半導体装置10と入れ替わっている。また、入力端子INには、電位VDDを入力することができる。なお、半導体装置10が昇圧型のチャージポンプであっても、入力端子INに電位VSSを入力してもよい。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIGS. 2A and 2B, the source and drain of the transistor provided in the charge transfer switch 20 and the transistor provided in the charge transfer switch 30 are shown in FIGS. 1A and 1B. It is replaced with the semiconductor device 10 having the configuration shown in (B). Further, the potential VDD can be input to the input terminal IN. Even if the semiconductor device 10 is a step-up type charge pump, the potential VSS may be input to the input terminal IN.

以下では、半導体装置10が降圧型のチャージポンプであるとして説明を行うが、電位の大小関係を適宜逆にすること等により、半導体装置10が昇圧型のチャージポンプであったとしても以下の説明を適用することができる。 Hereinafter, the description will be made assuming that the semiconductor device 10 is a step-down type charge pump, but even if the semiconductor device 10 is a step-up type charge pump by appropriately reversing the magnitude relationship of the potentials, the following description will be given. Can be applied.

<トランジスタの構成例>
図3(A)は、図1(A)に示すトランジスタ21[1]及びトランジスタ21[2]の、断面構成例及び接続構成例を示す模式図である。なお、他のトランジスタ21についても、図3(A)に示す構成を適用することができる。
<Transistor configuration example>
FIG. 3A is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration example and a connection configuration example of the transistor 21 [1] and the transistor 21 [2] shown in FIG. 1 (A). The configuration shown in FIG. 3A can also be applied to the other transistor 21.

トランジスタ21は、基板70に形成することができる。基板70は、p型基板とすることができる。また、トランジスタ21がSiトランジスタである場合は、基板70は、シリコン系の半導体材料が含まれるシリコン基板とすることができる。基板70をシリコン基板とする場合、基板70は単結晶シリコンを含むことが好ましい。 The transistor 21 can be formed on the substrate 70. The substrate 70 can be a p-type substrate. When the transistor 21 is a Si transistor, the substrate 70 can be a silicon substrate containing a silicon-based semiconductor material. When the substrate 70 is a silicon substrate, the substrate 70 preferably contains single crystal silicon.

又は、基板70は、Ge(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)等を有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ21をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 Alternatively, the substrate 70 may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used. Alternatively, the transistor 21 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.

基板70には、p+領域71、並びにn型ウェル72a、n型ウェル72b、n型ウェル72c、及びn型ウェル73a、n型ウェル73bが設けられる。基板70の内部におけるn型ウェル72a、n型ウェル73a、及びn型ウェル72bに囲まれた領域がp型ウェル74[1]となり、n型ウェル72b、n型ウェル73b、及びn型ウェル72cに囲まれた領域がp型ウェル74[2]となる。n型ウェル72aにはn+領域75aが設けられ、n型ウェル72bにはn+領域75bが設けられ、n型ウェル72cにはn+領域75cが設けられる。 The substrate 70 is provided with a p + region 71, and n-type wells 72a, n-type wells 72b, n-type wells 72c, and n-type wells 73a and n-type wells 73b. The region surrounded by the n-type well 72a, the n-type well 73a, and the n-type well 72b inside the substrate 70 becomes the p-type well 74 [1], and the n-type well 72b, the n-type well 73b, and the n-type well 72c. The area surrounded by is the p-type well 74 [2]. The n-type well 72a is provided with an n + region 75a, the n-type well 72b is provided with an n + region 75b, and the n-type well 72c is provided with an n + region 75c.

ここで、p型ウェル74[1]の下側にn型ウェル73aが設けられ、p型ウェル74[2]の下側にn型ウェル73bが設けられる。つまり、n型ウェル73a及びn型ウェル73bは、基板70内部の深い位置に設けられているということができる。 Here, the n-type well 73a is provided below the p-type well 74 [1], and the n-type well 73b is provided below the p-type well 74 [2]. That is, it can be said that the n-type well 73a and the n-type well 73b are provided at a deep position inside the substrate 70.

p型ウェル74[1]には、p+領域76[1]、n+領域77[1]、及びn+領域78[1]が設けられる。p型ウェル74[2]には、p+領域76[2]、n+領域77[2]、及びn+領域78[2]が設けられる。 The p-type well 74 [1] is provided with a p + region 76 [1], an n + region 77 [1], and an n + region 78 [1]. The p-type well 74 [2] is provided with a p + region 76 [2], an n + region 77 [2], and an n + region 78 [2].

基板70をp型基板とすると、基板70、p型ウェル、及びp+領域は、前述の半導体材料に加え、ホウ素等のp型の導電性を付与する元素を含む。なお、p型ウェルに含まれる当該元素の濃度は、基板70に含まれる当該元素の濃度と同程度とすることができる。また、p+領域に含まれる、p型の導電性を付与する元素の濃度は、基板70及びp型ウェルに含まれる当該元素の濃度より高くすることができる。よって、p+領域の電気抵抗を、基板70及びp型ウェルの電気抵抗より低くすることができる。 When the substrate 70 is a p-type substrate, the substrate 70, the p-type well, and the p + region contain, in addition to the above-mentioned semiconductor material, an element that imparts p-type conductivity such as boron. The concentration of the element contained in the p-type well can be about the same as the concentration of the element contained in the substrate 70. Further, the concentration of the element that imparts p-type conductivity contained in the p + region can be higher than the concentration of the element contained in the substrate 70 and the p-type well. Therefore, the electric resistance in the p + region can be made lower than the electric resistance of the substrate 70 and the p-type well.

n型ウェル、及びn+領域は、前述の半導体材料に加え、リン等のn型の導電性を付与する元素を含む。n+領域に含まれる当該元素の濃度は、n型ウェルに含まれる当該元素の濃度より高くすることができる。よって、n+領域の電気抵抗を、n型ウェルの電気抵抗より低くすることができる。 The n-type well and the n + region contain, in addition to the above-mentioned semiconductor material, an element such as phosphorus that imparts n-type conductivity. The concentration of the element contained in the n + region can be higher than the concentration of the element contained in the n-type well. Therefore, the electric resistance in the n + region can be made lower than the electric resistance of the n-type well.

n+領域77[1]とn+領域78[1]の間の領域と重なる領域を有するように、基板70上に絶縁体80[1]が設けられ、n+領域77[2]とn+領域78[2]の間の領域と重なる領域を有するように、基板70上に絶縁体80[2]が設けられる。また、絶縁体80[1]と接する領域を有するように、導電体81[1]が設けられ、絶縁体80[2]と接する領域を有するように、導電体81[2]が設けられる。なお、絶縁体80[1]及び導電体81[1]は、n+領域77[1]と重なる領域を有してもよいし、n+領域78[1]と重なる領域を有してもよい。また、絶縁体80[2]及び導電体81[2]は、n+領域77[2]と重なる領域を有してもよいし、n+領域78[2]と重なる領域を有してもよい。 An insulator 80 [1] is provided on the substrate 70 so as to have a region overlapping the region between the n + region 77 [1] and the n + region 78 [1], and the n + region 77 [2] and the n + region 78 [1] are provided. The insulator 80 [2] is provided on the substrate 70 so as to have a region overlapping the region between 2]. Further, the conductor 81 [1] is provided so as to have a region in contact with the insulator 80 [1], and the conductor 81 [2] is provided so as to have a region in contact with the insulator 80 [2]. The insulator 80 [1] and the conductor 81 [1] may have a region overlapping with the n + region 77 [1] or may have a region overlapping with the n + region 78 [1]. Further, the insulator 80 [2] and the conductor 81 [2] may have a region overlapping with the n + region 77 [2] or may have a region overlapping with the n + region 78 [2].

入力端子INは、p+領域71、n+領域75a、n+領域77[1]、n+領域75b、及びn+領域75cと電気的に接続されている。また、p+領域76[1]、導電体81[1]、n+領域78[1]、及びn+領域77[2]は、互いに電気的に接続されている。さらに、p+領域76[2]、導電体81[2]、及びn+領域78[2]は、互いに電気的に接続されている。 The input terminal IN is electrically connected to the p + region 71, the n + region 75a, the n + region 77 [1], the n + region 75b, and the n + region 75c. Further, the p + region 76 [1], the conductor 81 [1], the n + region 78 [1], and the n + region 77 [2] are electrically connected to each other. Further, the p + region 76 [2], the conductor 81 [2], and the n + region 78 [2] are electrically connected to each other.

n+領域77[1]は、トランジスタ21[1]のソース領域としての機能を有し、n+領域77[2]は、トランジスタ21[2]のソース領域としての機能を有する。n+領域78[1]は、トランジスタ21[1]のドレイン領域としての機能を有し、n+領域78[2]は、トランジスタ21[2]のドレイン領域としての機能を有する。 The n + region 77 [1] has a function as a source region of the transistor 21 [1], and the n + region 77 [2] has a function as a source region of the transistor 21 [2]. The n + region 78 [1] has a function as a drain region of the transistor 21 [1], and the n + region 78 [2] has a function as a drain region of the transistor 21 [2].

絶縁体80[1]は、トランジスタ21[1]のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁体80[2]は、トランジスタ21[2]のゲート絶縁膜としての機能を有する。導電体81[1]は、トランジスタ21[1]のゲート電極としての機能を有し、導電体81[2]は、トランジスタ21[2]のゲート電極としての機能を有する。 The insulator 80 [1] has a function as a gate insulating film of the transistor 21 [1], and the insulator 80 [2] has a function as a gate insulating film of the transistor 21 [2]. The conductor 81 [1] has a function as a gate electrode of the transistor 21 [1], and the conductor 81 [2] has a function as a gate electrode of the transistor 21 [2].

ここで、p型ウェル74[1]における、n+領域77[1]とn+領域78[1]の間の領域のうち、導電体81[1]と重なる領域は、トランジスタ21[1]のチャネル形成領域となる。また、p型ウェル74[2]における、n+領域77[2]とn+領域78[2]の間の領域のうち、導電体81[2]と重なる領域は、トランジスタ21[2]のチャネル形成領域となる。 Here, in the p-type well 74 [1], of the regions between the n + region 77 [1] and the n + region 78 [1], the region overlapping the conductor 81 [1] is the channel of the transistor 21 [1]. It becomes a forming region. Further, in the region between the n + region 77 [2] and the n + region 78 [2] in the p-type well 74 [2], the region overlapping the conductor 81 [2] forms the channel of the transistor 21 [2]. It becomes an area.

p+領域71に供給される電位は、基板70の電位となる。n+領域75aに供給される電位は、n型ウェル72aの電位となる。n+領域75bに供給される電位は、n型ウェル72bの電位となる。n+領域75cに供給される電位は、n型ウェル72cの電位となる。p+領域76[1]に供給される電位は、p型ウェル74[1]の電位となる。p+領域76[2]に供給される電位は、p型ウェル74[2]の電位となる。 The potential supplied to the p + region 71 is the potential of the substrate 70. The potential supplied to the n + region 75a is the potential of the n-type well 72a. The potential supplied to the n + region 75b is the potential of the n-type well 72b. The potential supplied to the n + region 75c is the potential of the n-type well 72c. The potential supplied to the p + region 76 [1] is the potential of the p-type well 74 [1]. The potential supplied to the p + region 76 [2] is the potential of the p-type well 74 [2].

以上より、トランジスタ21[1]は、p型ウェル74[1]、p+領域76[1]、n+領域77[1]、n+領域78[1]、絶縁体80[1]、及び導電体81[1]を有するということができる。また、トランジスタ21[2]は、p型ウェル74[2]、p+領域76[2]、n+領域77[2]、n+領域78[2]、絶縁体80[2]、及び導電体81[2]を有するということができる。さらに、トランジスタ21[1]とトランジスタ21[2]は、n型ウェル72a、n型ウェル73a、n型ウェル72b、n型ウェル73b、及びn型ウェル72cによって分離されているということができる。 From the above, the transistor 21 [1] includes a p-type well 74 [1], a p + region 76 [1], an n + region 77 [1], an n + region 78 [1], an insulator 80 [1], and a conductor 81. It can be said that it has [1]. Further, the transistor 21 [2] includes a p-type well 74 [2], a p + region 76 [2], an n + region 77 [2], an n + region 78 [2], an insulator 80 [2], and a conductor 81 [2]. 2] can be said to have. Further, it can be said that the transistor 21 [1] and the transistor 21 [2] are separated by an n-type well 72a, an n-type well 73a, an n-type well 72b, an n-type well 73b, and an n-type well 72c.

p+領域71、n+領域75a、n+領域77[1]、n+領域75b、及びn+領域75cには、電位VSSを供給することができる。また、p+領域76[1]、導電体81[1]、n+領域78[1]、及びn+領域77[2]に供給される電位を、電位V1とする。さらに、p+領域76[2]、導電体81[2]、及びn+領域78[2]に供給される電位を、電位V2とする。半導体装置10を降圧型のチャージポンプとする場合、電位VSSより電位V1の方が低くなり、電位V1より電位V2の方が低くなる。つまり、“VSS>V1>V2”という関係が成立する。 The potential VSS can be supplied to the p + region 71, the n + region 75a, the n + region 77 [1], the n + region 75b, and the n + region 75c. Further, the potential supplied to the p + region 76 [1], the conductor 81 [1], the n + region 78 [1], and the n + region 77 [2] is defined as the potential V1. Further, the potential supplied to the p + region 76 [2], the conductor 81 [2], and the n + region 78 [2] is defined as the potential V2. When the semiconductor device 10 is a step-down type charge pump, the potential V1 is lower than the potential VSS, and the potential V2 is lower than the potential V1. That is, the relationship "VSS> V1> V2" is established.

“VSS>V1>V2”という関係が成立することにより、p型基板である基板70の電位と、n型ウェルの電位と、が順バイアスの関係とならなくなる。また、p型ウェルの電位と、n型ウェルの電位と、順バイアスの関係とならなくなる。以上より、基板70からn型ウェルに電流が流れること、及びp型ウェルからn型ウェルに電流が流れることを抑制することができる。 When the relationship "VSS> V1> V2" is established, the potential of the substrate 70, which is a p-type substrate, and the potential of the n-type well do not have a forward bias relationship. In addition, the potential of the p-type well and the potential of the n-type well do not have a forward bias relationship. From the above, it is possible to suppress the current flowing from the substrate 70 to the n-type well and the current flowing from the p-type well to the n-type well.

ここで、トランジスタ21[1]におけるソース電位(n+領域77[1]に供給される電位)とボディ電位(p+領域76[1]に供給される電位)との差は、“VSS-V1”となる。また、トランジスタ21[2]におけるソース電位(n+領域77[2]に供給される電位)とボディ電位(p+領域76[2]に供給される電位)との差は、“V1-V2”となる。よって、後段のトランジスタ21であっても、ソース電位とボディ電位との差が、トランジスタ21[1]におけるソース電位とボディ電位との差と比較して大幅に増加することを抑制することができる。よって、後段のトランジスタ21においても、ソース電位とボディ電位との差が大きくなると発生する基板バイアス効果による、トランジスタのしきい値電圧の増加を抑制することができる。以上より、電荷転送スイッチ20に設けられたトランジスタ21の個数を増加させることにより電荷転送スイッチ20の出力電位を低くしても、後段のトランジスタ21の、基板バイアス効果によるしきい値電圧の増加を抑制することができる。 Here, the difference between the source potential (potential supplied to the n + region 77 [1]) and the body potential (potential supplied to the p + region 76 [1]) in the transistor 21 [1] is “VSS-V1”. Will be. Further, the difference between the source potential (potential supplied to the n + region 77 [2]) and the body potential (potential supplied to the p + region 76 [2]) in the transistor 21 [2] is "V1-V2". Become. Therefore, even in the transistor 21 in the subsequent stage, it is possible to suppress that the difference between the source potential and the body potential is significantly increased as compared with the difference between the source potential and the body potential in the transistor 21 [1]. .. Therefore, even in the transistor 21 in the subsequent stage, it is possible to suppress an increase in the threshold voltage of the transistor due to the substrate bias effect that occurs when the difference between the source potential and the body potential becomes large. From the above, even if the output potential of the charge transfer switch 20 is lowered by increasing the number of transistors 21 provided in the charge transfer switch 20, the threshold voltage of the transistor 21 in the subsequent stage increases due to the substrate bias effect. It can be suppressed.

図3(B)は、図1(B)に示すトランジスタ22[1]及びトランジスタ22[2]の、断面構成例及び接続構成例を示す模式図である。なお、他のトランジスタ22についても、図3(B)に示す構成を適用することができる。 FIG. 3B is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration example and a connection configuration example of the transistor 22 [1] and the transistor 22 [2] shown in FIG. 1 (B). The configuration shown in FIG. 3B can also be applied to the other transistors 22.

トランジスタ22はトランジスタ21と同様に、p型基板とすることができる基板70に形成することができる。 Similar to the transistor 21, the transistor 22 can be formed on a substrate 70 which can be a p-type substrate.

基板70には、p+領域71、並びにn型ウェル90[1]及びn型ウェル90[2]が設けられる。n型ウェル90[1]にはn+領域91[1]、並びにp+領域92[1]及びp+領域93[1]が設けられ、n型ウェル90[2]にはn+領域91[2]、並びにp+領域92[2]及びp+領域93[2]が設けられる。 The substrate 70 is provided with a p + region 71 and an n-type well 90 [1] and an n-type well 90 [2]. The n-type well 90 [1] is provided with n + region 91 [1], and the p + region 92 [1] and p + region 93 [1], and the n-type well 90 [2] is provided with n + region 91 [2]. In addition, p + region 92 [2] and p + region 93 [2] are provided.

p+領域92[1]とp+領域93[1]の間の領域と重なる領域を有するように、基板70上に絶縁体80[1]が設けられ、p+領域92[2]とp+領域93[2]の間の領域と重なる領域を有するように、基板70上に絶縁体80[2]が設けられる。また、絶縁体80[1]と接する領域を有するように、導電体81[1]が設けられ、絶縁体80[2]と接する領域を有するように、導電体81[2]が設けられる。なお、絶縁体80[1]及び導電体81[1]は、p+領域92[1]と重なる領域を有してもよいし、p+領域93[1]と重なる領域を有してもよい。また、絶縁体80[2]及び導電体81[2]は、p+領域92[2]と重なる領域を有してもよいし、p+領域93[2]と重なる領域を有してもよい。 An insulator 80 [1] is provided on the substrate 70 so as to have a region overlapping the region between the p + region 92 [1] and the p + region 93 [1], and the p + region 92 [2] and the p + region 93 [1] are provided. The insulator 80 [2] is provided on the substrate 70 so as to have a region overlapping the region between 2]. Further, the conductor 81 [1] is provided so as to have a region in contact with the insulator 80 [1], and the conductor 81 [2] is provided so as to have a region in contact with the insulator 80 [2]. The insulator 80 [1] and the conductor 81 [1] may have a region overlapping the p + region 92 [1] or may have a region overlapping the p + region 93 [1]. Further, the insulator 80 [2] and the conductor 81 [2] may have a region overlapping with the p + region 92 [2] or may have a region overlapping with the p + region 93 [2].

入力端子INは、p+領域71、n+領域91[1]、p+領域92[1]、導電体81[1]、及びn+領域91[2]と電気的に接続されている。また、p+領域93[1]は、p+領域92[2]及び導電体81[2]と電気的に接続されている。 The input terminal IN is electrically connected to the p + region 71, the n + region 91 [1], the p + region 92 [1], the conductor 81 [1], and the n + region 91 [2]. Further, the p + region 93 [1] is electrically connected to the p + region 92 [2] and the conductor 81 [2].

p+領域92[1]は、トランジスタ22[1]のドレイン領域としての機能を有し、p+領域92[2]は、トランジスタ22[2]のドレイン領域としての機能を有する。p+領域93[1]は、トランジスタ22[1]のソース領域としての機能を有し、p+領域93[2]は、トランジスタ22[2]のソース領域としての機能を有する。 The p + region 92 [1] has a function as a drain region of the transistor 22 [1], and the p + region 92 [2] has a function as a drain region of the transistor 22 [2]. The p + region 93 [1] has a function as a source region of the transistor 22 [1], and the p + region 93 [2] has a function as a source region of the transistor 22 [2].

絶縁体80[1]は、トランジスタ22[1]のゲート絶縁膜としての機能を有し、絶縁体80[2]は、トランジスタ22[2]のゲート絶縁膜としての機能を有する。導電体81[1]は、トランジスタ22[1]のゲート電極としての機能を有し、導電体81[2]は、トランジスタ22[2]のゲート電極としての機能を有する。 The insulator 80 [1] has a function as a gate insulating film of the transistor 22 [1], and the insulator 80 [2] has a function as a gate insulating film of the transistor 22 [2]. The conductor 81 [1] has a function as a gate electrode of the transistor 22 [1], and the conductor 81 [2] has a function as a gate electrode of the transistor 22 [2].

ここで、n型ウェル90[1]における、p+領域92[1]とp+領域93[1]の間の領域のうち、導電体81[1]と重なる領域は、トランジスタ22[1]のチャネル形成領域となる。また、n型ウェル90[2]における、p+領域92[2]とp+領域93[2]の間の領域のうち、導電体81[2]と重なる領域は、トランジスタ22[2]のチャネル形成領域となる。 Here, in the n-type well 90 [1], of the regions between the p + region 92 [1] and the p + region 93 [1], the region overlapping the conductor 81 [1] is the channel of the transistor 22 [1]. It becomes a forming region. Further, in the region between the p + region 92 [2] and the p + region 93 [2] in the n-type well 90 [2], the region overlapping the conductor 81 [2] forms the channel of the transistor 22 [2]. It becomes an area.

p+領域71に供給される電位は、図3(A)に示す場合と同様に、基板70の電位となる。n+領域91[1]に供給される電位は、n型ウェル90[1]の電位となり、n+領域91[2]に供給される電位は、n型ウェル90[2]の電位となる。 The potential supplied to the p + region 71 is the potential of the substrate 70, as in the case shown in FIG. 3A. The potential supplied to the n + region 91 [1] is the potential of the n-type well 90 [1], and the potential supplied to the n + region 91 [2] is the potential of the n-type well 90 [2].

以上より、トランジスタ22[1]は、n型ウェル90[1]、n+領域91[1]、p+領域92[1]、p+領域93[1]、絶縁体80[1]、及び導電体81[1]を有するということができる。また、トランジスタ22[2]は、n型ウェル90[2]、n+領域91[2]、p+領域92[2]、p+領域93[2]、絶縁体80[2]、及び導電体81[2]を有するということができる。さらに、トランジスタ22[1]とトランジスタ22[2]は、n型ウェル90[1]及びn型ウェル90[2]によって分離されているということができる。 From the above, the transistor 22 [1] includes an n-type well 90 [1], an n + region 91 [1], a p + region 92 [1], a p + region 93 [1], an insulator 80 [1], and a conductor 81. It can be said that it has [1]. Further, the transistor 22 [2] includes an n-type well 90 [2], an n + region 91 [2], a p + region 92 [2], a p + region 93 [2], an insulator 80 [2], and a conductor 81 [2]. 2] can be said to have. Further, it can be said that the transistor 22 [1] and the transistor 22 [2] are separated by the n-type well 90 [1] and the n-type well 90 [2].

トランジスタ22は、基板70内部の深い位置にウェルを設けなくても、トランジスタ22の素子間分離を行うことができる。よって、トランジスタ22は簡易な工程で作製することができる。 The transistor 22 can separate the elements of the transistor 22 without providing a well at a deep position inside the substrate 70. Therefore, the transistor 22 can be manufactured by a simple process.

p+領域71、n+領域91[1]、p+領域92[1]、導電体81[1]、及びn+領域91[2]には、電位VSSを供給することができる。p+領域71[1]、並びにn+領域91[1]及びn+領域91[2]に同じ電位を供給することにより、基板70の電位と、n型ウェル90[1]及びn型ウェル90[2]の電位とを等しくすることができる。これにより、p型基板である基板70の電位と、n型ウェル90[1]及びn型ウェル90[2]の電位とが順バイアスの関係とならなくなる。したがって、基板70から、n型ウェル90[1]、及びn型ウェル90[2]に電流が流れることを抑制することができる。 The potential VSS can be supplied to the p + region 71, the n + region 91 [1], the p + region 92 [1], the conductor 81 [1], and the n + region 91 [2]. By supplying the same potential to the p + region 71 [1] and the n + region 91 [1] and n + region 91 [2], the potential of the substrate 70 and the n-type well 90 [1] and the n-type well 90 [2] ] Can be equal to the potential. As a result, the potential of the substrate 70, which is a p-type substrate, and the potentials of the n-type well 90 [1] and the n-type well 90 [2] do not have a forward bias relationship. Therefore, it is possible to suppress the flow of current from the substrate 70 to the n-type well 90 [1] and the n-type well 90 [2].

なお、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタ22に設けられた全てのn+領域91に、p+領域71に供給した電位と同じ電位を供給することができる。これにより、全てのn型ウェル90の電位を、基板70の電位と等しくすることができる。 It should be noted that the same potential as the potential supplied to the p + region 71 can be supplied to all the n + regions 91 provided in the transistor 22 included in the charge transfer switch 20. Thereby, the potentials of all the n-type wells 90 can be made equal to the potentials of the substrate 70.

また、p+領域93[1]、p+領域92[2]、及び導電体81[2]に供給される電位を、電位V1とする。さらに、p+領域93[2]に供給される電位を、電位V2とする。図3(A)に示す場合と同様に、半導体装置10を降圧型のチャージポンプとする場合、電位VSSより電位V1の方が低くなり、電位V1より電位V2の方が低くなる。つまり、“VSS>V1>V2”という関係が成立する。 Further, the potential supplied to the p + region 93 [1], the p + region 92 [2], and the conductor 81 [2] is defined as the potential V1. Further, the potential supplied to the p + region 93 [2] is defined as the potential V2. Similar to the case shown in FIG. 3A, when the semiconductor device 10 is a step-down charge pump, the potential V1 is lower than the potential VSS, and the potential V2 is lower than the potential V1. That is, the relationship "VSS> V1> V2" is established.

前述のように、n型ウェル90の電位は電位VSSとなる。よって、“VSS>V1>V2”という関係が成立する場合、p+領域71以外のp+領域に供給される電位は、n型ウェル90の電位より低くなる。よって、p+領域の電位と、n型ウェル90の電位とが順バイアスの関係とならなくなる。したがって、p+領域からn型ウェル90に電流が流れることを抑制することができる。 As described above, the potential of the n-type well 90 is the potential VSS. Therefore, when the relationship "VSS> V1> V2" is established, the potential supplied to the p + region other than the p + region 71 is lower than the potential of the n-type well 90. Therefore, the potential of the p + region and the potential of the n-type well 90 do not have a forward bias relationship. Therefore, it is possible to suppress the flow of current from the p + region to the n-type well 90.

後段のトランジスタ22のソース電位(p+領域93に供給される電位)は、前段のトランジスタ22のソース電位より低くなる。一方、例えば全てのトランジスタ22において、ボディ電位(n+領域91に供給される電位)は電位VSSで一定となる。以上より、後段のトランジスタ22におけるソース電位とボディ電位との差は、前段のトランジスタ22におけるソース電位とボディ電位との差より大きくなる。よって、基板バイアス効果による、トランジスタ22のしきい値電圧の増加を抑制するために、電荷転送スイッチ20に設けるトランジスタ22の個数を少なくし、電荷転送スイッチ20の出力電位が低くなりすぎないようにすることが好ましい。 The source potential of the transistor 22 in the subsequent stage (potential supplied to the p + region 93) is lower than the source potential of the transistor 22 in the previous stage. On the other hand, for example, in all the transistors 22, the body potential (potential supplied to the n + region 91) is constant at the potential VSS. From the above, the difference between the source potential and the body potential in the transistor 22 in the subsequent stage is larger than the difference between the source potential and the body potential in the transistor 22 in the previous stage. Therefore, in order to suppress the increase in the threshold voltage of the transistor 22 due to the substrate bias effect, the number of transistors 22 provided in the charge transfer switch 20 is reduced so that the output potential of the charge transfer switch 20 does not become too low. It is preferable to do so.

図1(A)、(B)に示す構成の半導体装置10では、電荷転送スイッチ20に設けられたトランジスタ21又はトランジスタ22の個数を、電荷転送スイッチ30に設けられたトランジスタ31の個数と等しくしたが、本発明の一態様はこれに限らない。例えば、SiトランジスタはOSトランジスタより電荷転送速度が高い。よって、Siトランジスタとすることができるトランジスタ21又はトランジスタ22の個数が、OSトランジスタとすることができるトランジスタ31の個数より少なくても、出力端子OUTの電位を低くすることができる。 In the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 1A and 1B, the number of transistors 21 or transistors 22 provided in the charge transfer switch 20 is equal to the number of transistors 31 provided in the charge transfer switch 30. However, one aspect of the present invention is not limited to this. For example, a Si transistor has a higher charge transfer rate than an OS transistor. Therefore, even if the number of transistors 21 or 22 that can be Si transistors is smaller than the number of transistors 31 that can be OS transistors, the potential of the output terminal OUT can be lowered.

図4(A)は、図1(A)に示す構成の半導体装置10の変形例であり、トランジスタ21の個数が、トランジスタ31の個数より1個少ない場合の、半導体装置10の構成例を示している。図4(B)は、図1(B)に示す構成の半導体装置10の変形例であり、トランジスタ22の個数が、トランジスタ31の個数より1個少ない場合の、半導体装置10の構成例を示している。なお、トランジスタ21又はトランジスタ22の個数を、トランジスタ31の個数より2個以上少なくしてもよい。又は、トランジスタ31の個数を、トランジスタ21又はトランジスタ22の個数より少なくしてもよい。 FIG. 4A is a modification of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1A, and shows a configuration example of the semiconductor device 10 when the number of transistors 21 is one less than the number of transistors 31. ing. FIG. 4B is a modification of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1B, and shows a configuration example of the semiconductor device 10 when the number of transistors 22 is one less than the number of transistors 31. ing. The number of transistors 21 or 22 may be two or more less than the number of transistors 31. Alternatively, the number of transistors 31 may be smaller than the number of transistors 21 or 22.

トランジスタ21又はトランジスタ22の個数を減少させることにより、トランジスタ21又はトランジスタ22のしきい値電圧のばらつきが電荷転送スイッチ20の出力電位に与える影響を小さくすることができる。よって、電荷転送スイッチ20の出力電位のばらつきを小さくすることができる。 By reducing the number of the transistors 21 or the transistors 22, it is possible to reduce the influence of the variation in the threshold voltage of the transistors 21 or the transistors 22 on the output potential of the charge transfer switch 20. Therefore, the variation in the output potential of the charge transfer switch 20 can be reduced.

図1(A)、(B)に示す構成の半導体装置10は、ポンピングキャパシタとしての機能を有する容量素子41の一方の電極が、トランジスタ21又はトランジスタ22、及びトランジスタ31の両方と電気的に接続されている。つまり、ポンピングキャパシタとしての機能を有する容量素子41を、電荷転送スイッチ20及び電荷転送スイッチ30により共有しているが、本発明の一態様はこれに限られない。ポンピングキャパシタとしての機能を有する容量素子を、電荷転送スイッチ20及び電荷転送スイッチ30により共有しなくてもよい。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIGS. 1A and 1B, one electrode of the capacitive element 41 having a function as a pumping capacitor is electrically connected to both the transistor 21 or the transistor 22 and the transistor 31. Has been done. That is, the capacitive element 41 having a function as a pumping capacitor is shared by the charge transfer switch 20 and the charge transfer switch 30, but one aspect of the present invention is not limited to this. The capacitive element having a function as a pumping capacitor may not be shared by the charge transfer switch 20 and the charge transfer switch 30.

図5(A)は、図1(A)に示す構成の半導体装置10の変形例であり、図5(B)は、図1(B)に示す構成の半導体装置10の変形例である。図5(A)、(B)は、半導体装置10が容量素子群40を有さず、容量素子群50及び容量素子群60を有する場合の、半導体装置10の構成例を示している。 5 (A) is a modification of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (A), and FIG. 5 (B) is a modification of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (B). FIGS. 5A and 5B show a configuration example of the semiconductor device 10 when the semiconductor device 10 does not have the capacitive element group 40 but has the capacitive element group 50 and the capacitive element group 60.

容量素子群50は、1個以上の容量素子51を有する。容量素子群60は、1個以上の容量素子61を有する。 The capacitive element group 50 has one or more capacitive elements 51. The capacitive element group 60 has one or more capacitive elements 61.

図5(A)、(B)では、容量素子群50が有する容量素子51の個数を4個としているが、容量素子51の個数は、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタ21又はトランジスタ22の個数に応じて3個以下、又は5個以上とすることができる。また、図5(A)、(B)では、容量素子群60が有する容量素子61の個数を4個としているが、容量素子61の個数は、電荷転送スイッチ30が有するトランジスタ31の個数に応じて3個以下、又は5個以上とすることができる。具体的には、容量素子51の個数は、トランジスタ21又はトランジスタ22の個数より1個少なくすることができ、容量素子61の個数は、トランジスタ31の個数より1個少なくすることができる。 In FIGS. 5A and 5B, the number of the capacitive elements 51 included in the capacitive element group 50 is 4, but the number of the capacitive elements 51 is the number of the transistors 21 or the transistors 22 of the charge transfer switch 20. Depending on the number, the number may be 3 or less, or 5 or more. Further, in FIGS. 5A and 5B, the number of the capacitive elements 61 included in the capacitive element group 60 is four, but the number of the capacitive elements 61 depends on the number of transistors 31 included in the charge transfer switch 30. The number may be 3 or less, or 5 or more. Specifically, the number of the capacitive elements 51 can be one less than the number of the transistors 21 or the transistors 22, and the number of the capacitive elements 61 can be one less than the number of the transistors 31.

図5(A)に示す構成の半導体装置10において、容量素子51[1]の一方の電極は、トランジスタ21[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[2]の一方の電極は、トランジスタ21[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[3]の一方の電極は、トランジスタ21[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[4]の一方の電極は、トランジスタ21[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[5]のソースと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 5A, one electrode of the capacitive element 51 [1] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [1] and the source of the transistor 21 [2]. There is. One electrode of the capacitive element 51 [2] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [2] and the source of the transistor 21 [3]. One electrode of the capacitive element 51 [3] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [3] and the source of the transistor 21 [4]. One electrode of the capacitive element 51 [4] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [4] and the source of the transistor 21 [5].

図5(B)に示す構成の半導体装置10において、容量素子51[1]の一方の電極は、トランジスタ22[1]のソース、トランジスタ22[2]のゲート及びドレインと電気的に接続されている。容量素子51[2]の一方の電極は、トランジスタ22[2]のソース、トランジスタ22[3]のゲート及びドレインと電気的に接続されている。容量素子51[3]の一方の電極は、トランジスタ22[3]のソース、トランジスタ22[4]のゲート及びドレインと電気的に接続されている。容量素子51[4]の一方の電極は、トランジスタ22[4]のソース、トランジスタ22[5]のゲート及びドレインと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 5B, one electrode of the capacitive element 51 [1] is electrically connected to the source of the transistor 22 [1] and the gate and drain of the transistor 22 [2]. There is. One electrode of the capacitive element 51 [2] is electrically connected to the source of the transistor 22 [2] and the gate and drain of the transistor 22 [3]. One electrode of the capacitive element 51 [3] is electrically connected to the source of the transistor 22 [3] and the gate and drain of the transistor 22 [4]. One electrode of the capacitive element 51 [4] is electrically connected to the source of the transistor 22 [4] and the gate and drain of the transistor 22 [5].

図5(A)、(B)に示す構成の半導体装置10において、容量素子61[1]の一方の電極は、トランジスタ31[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[2]の一方の電極は、トランジスタ31[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[3]の一方の電極は、トランジスタ31[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[4]の一方の電極は、トランジスタ31[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[5]のソースと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIGS. 5A and 5B, one electrode of the capacitive element 61 [1] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [1] and the source of the transistor 31 [2]. It is connected to the. One electrode of the capacitive element 61 [2] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [2] and the source of the transistor 31 [3]. One electrode of the capacitive element 61 [3] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [3] and the source of the transistor 31 [4]. One electrode of the capacitive element 61 [4] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [4] and the source of the transistor 31 [5].

また、クロック信号生成回路11が有するクロック信号出力端子OCKは、容量素子51[1]の他方の電極及び容量素子51[3]の他方の電極、並びに容量素子61[1]の他方の電極及び容量素子61[3]の他方の電極と電気的に接続されている。クロック信号生成回路11が有するクロック信号出力端子OCKBは、容量素子51[2]の他方の電極及び容量素子51[4]の他方の電極、並びに容量素子61[2]の他方の電極及び容量素子61[4]の他方の電極と電気的に接続されている。 Further, the clock signal output terminal OCK included in the clock signal generation circuit 11 includes the other electrode of the capacitive element 51 [1], the other electrode of the capacitive element 51 [3], and the other electrode of the capacitive element 61 [1]. It is electrically connected to the other electrode of the capacitive element 61 [3]. The clock signal output terminal OCKB included in the clock signal generation circuit 11 includes the other electrode of the capacitive element 51 [2], the other electrode of the capacitive element 51 [4], and the other electrode and the capacitive element of the capacitive element 61 [2]. It is electrically connected to the other electrode of 61 [4].

図5(A)、(B)に示す構成の半導体装置10において、電荷転送スイッチ20は、容量素子51の他方の電極に入力されるクロック信号の位相が切り替わる際に、容量素子51に保持された電荷を転送することができる。また、電荷転送スイッチ30は、容量素子61の他方の電極に入力されるクロック信号の位相が切り替わる際に、容量素子61に保持された電荷を転送することができる。以上より、容量素子51及び容量素子61は、容量素子41と同様にポンピングキャパシタとしての機能を有するということができる。 In the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 5A and 5B, the charge transfer switch 20 is held by the capacitive element 51 when the phase of the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 51 is switched. Charges can be transferred. Further, the charge transfer switch 30 can transfer the charge held by the capacitive element 61 when the phase of the clock signal input to the other electrode of the capacitive element 61 is switched. From the above, it can be said that the capacitive element 51 and the capacitive element 61 have a function as a pumping capacitor like the capacitive element 41.

半導体装置10を図5(A)、(B)に示す構成とすることにより、電荷転送スイッチ20が転送する電荷を保持する機能を有する容量素子の容量と、電荷転送スイッチ30が転送する電荷を保持する機能を有する容量素子の容量と、を異ならせることができる。例えば、詳細は後述するが、OSトランジスタのオフ電流はSiトランジスタのオフ電流より小さいので、容量素子61の容量は容量素子51の容量より小さくすることができる。 By configuring the semiconductor device 10 as shown in FIGS. 5A and 5B, the capacity of the capacitive element having a function of holding the charge transferred by the charge transfer switch 20 and the charge transferred by the charge transfer switch 30 are transferred. The capacity of the capacitance element having the function of holding can be different from that of the capacitance element. For example, as will be described in detail later, since the off-current of the OS transistor is smaller than the off-current of the Si transistor, the capacitance of the capacitive element 61 can be smaller than the capacitance of the capacitive element 51.

図1(A)、(B)に示す構成の半導体装置10では、電荷転送スイッチ20に設けられたトランジスタを、全てSiトランジスタとすることができるトランジスタ21又はトランジスタ22としたが、本発明の一態様はこれに限らない。電荷転送スイッチ20が有するトランジスタの一部が、OSトランジスタであってもよい。 In the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 1A and 1B, the transistors provided in the charge transfer switch 20 are all Transistors 21 or Transistors 22 which can be Si transistors. The embodiment is not limited to this. A part of the transistor included in the charge transfer switch 20 may be an OS transistor.

図6(A)、(B)は、図1(A)に示す構成の半導体装置10の変形例であり、電荷転送スイッチ20がm-1個(mは2以上の整数)のトランジスタ21又はトランジスタ22と、1個のトランジスタ32を有する場合の、半導体装置10の構成例を示している。図6(A)、(B)に示す構成の半導体装置10において、電荷転送スイッチ30はm個のトランジスタ31を有し、容量素子群40はm-1個の容量素子41を有する。なお、電荷転送スイッチ30が有するトランジスタ31の個数は、例えばm個より多くてもよく、この場合、容量素子群40が有する容量素子41の個数もm-1個より多くなる。 6 (A) and 6 (B) are modification examples of the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 1 (A), and are transistors 21 having m-1 charge transfer switches 20 (m is an integer of 2 or more) or A configuration example of the semiconductor device 10 in the case of having the transistor 22 and one transistor 32 is shown. In the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 6A and 6B, the charge transfer switch 30 has m transistors 31, and the capacitive element group 40 has m-1 capacitive elements 41. The number of transistors 31 included in the charge transfer switch 30 may be larger than, for example, m, and in this case, the number of capacitive elements 41 included in the capacitive element group 40 is also larger than m-1.

トランジスタ32はOSトランジスタであり、nチャネル型のトランジスタとすることができる。トランジスタ32は、トランジスタ31と同じ構成とすることができる。また、トランジスタ32はダイオード接続されている。 The transistor 32 is an OS transistor and can be an n-channel type transistor. The transistor 32 can have the same configuration as the transistor 31. Further, the transistor 32 is connected to a diode.

図6(A)に示す構成の半導体装置10において、トランジスタ32のソースは、トランジスタ21[m-1]のゲート及びドレインと電気的に接続されている。図6(B)に示す構成の半導体装置10において、トランジスタ32のソースは、トランジスタ22[m-1]のソースと電気的に接続されている。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 6A, the source of the transistor 32 is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [m-1]. In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 6B, the source of the transistor 32 is electrically connected to the source of the transistor 22 [m-1].

図6(A)、(B)に示す構成の半導体装置10において、トランジスタ32のソースはトランジスタ31[m-1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[m]のソース、及び容量素子41[m-1]の一方の電極と電気的に接続されている。また、トランジスタ32のゲート及びドレインは、トランジスタ31[m]のゲート及びドレイン、出力端子OUT、及び容量素子12の一方の電極と電気的に接続されている。つまり、トランジスタ32は、電荷転送スイッチ20の最終段のトランジスタであるということができる。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIGS. 6A and 6B, the source of the transistor 32 is the gate and drain of the transistor 31 [m-1], the source of the transistor 31 [m], and the capacitive element 41 [m−. 1] It is electrically connected to one of the electrodes. Further, the gate and drain of the transistor 32 are electrically connected to one electrode of the gate and drain of the transistor 31 [m], the output terminal OUT, and the capacitive element 12. That is, it can be said that the transistor 32 is the transistor at the final stage of the charge transfer switch 20.

OSトランジスタは、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である金属酸化物を半導体材料として用いているため、オフ電流が極めて小さい。よって、電荷転送スイッチ30に設けられた最終段のトランジスタだけでなく、電荷転送スイッチ20に設けられた最終段のトランジスタにもOSトランジスタを用いることにより、容量素子12に長期間電荷を保持することができる。これにより、電荷転送スイッチ20及び電荷転送スイッチ30による電荷の転送を長期間行わなくても、出力端子OUTから出力される電位の変動を抑制することができる。よって、クロック信号OCK及びクロック信号OCKBのクロック周波数を小さくすることができる。又は、クロック信号OCK及びクロック信号OCKBについて、クロックゲーティングを行うことができる。以上により、半導体装置10の消費電力を低減させることができる。なお、トランジスタ32は、オフ電流が極めて低ければ、OSトランジスタでなくてもよい。 Since the OS transistor uses a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more as a semiconductor material, the off-current is extremely small. Therefore, by using the OS transistor not only in the final stage transistor provided in the charge transfer switch 30 but also in the final stage transistor provided in the charge transfer switch 20, the charge can be retained in the capacitive element 12 for a long period of time. Can be done. As a result, it is possible to suppress fluctuations in the potential output from the output terminal OUT without performing charge transfer by the charge transfer switch 20 and the charge transfer switch 30 for a long period of time. Therefore, the clock frequencies of the clock signal OCK and the clock signal OCKB can be reduced. Alternatively, clock gating can be performed on the clock signal OCK and the clock signal OCKB. As a result, the power consumption of the semiconductor device 10 can be reduced. The transistor 32 does not have to be an OS transistor as long as the off current is extremely low.

前述のように、SiトランジスタはOSトランジスタよりオン電流が大きい。よって、図6(A)、(B)に示すような構成は、mの値が大きい場合に適用すると、電荷転送スイッチ20が有する最終段のSiトランジスタをOSトランジスタに置き換えたことによる、電荷転送スイッチ20の動作速度の低下等を抑制することができ好ましい。例えば、mの値は、5以上とすることが好ましく、10以上とすることがより好ましい。一方、mの値が大きすぎると、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタのしきい値電圧のばらつき、及び電荷転送スイッチ30が有するトランジスタのしきい値電圧のばらつきが、出力端子OUTの電位に与える影響が大きくなる。よって、mの値は、例えば20以下とすることが好ましい。 As described above, the Si transistor has a larger on-current than the OS transistor. Therefore, when the configuration shown in FIGS. 6A and 6B is applied when the value of m is large, the charge transfer is caused by replacing the Si transistor in the final stage of the charge transfer switch 20 with an OS transistor. It is preferable because it is possible to suppress a decrease in the operating speed of the switch 20. For example, the value of m is preferably 5 or more, and more preferably 10 or more. On the other hand, if the value of m is too large, the variation in the threshold voltage of the transistor of the charge transfer switch 20 and the variation of the threshold voltage of the transistor of the charge transfer switch 30 have an effect on the potential of the output terminal OUT. Becomes larger. Therefore, the value of m is preferably 20 or less, for example.

<半導体装置の動作例>
図7は、図1(A)、(B)、及び図4(A)、(B)乃至図6(A)、(B)等に示す構成の半導体装置10の動作方法の一例を示すタイミングチャートである。図7には、クロック信号出力端子OCKの電位、クロック信号出力端子OCKBの電位、及び出力端子OUTの電位を示している。なお、半導体装置10が図6(A)、(B)に示す構成である場合には、図7に示すタイミングチャートは特にmの値が5である場合に対応する。
<Operation example of semiconductor device>
FIG. 7 shows timings showing an example of the operation method of the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 1 (A), 1 (B), 4 (A), (B) to 6 (A), (B), and the like. It is a chart. FIG. 7 shows the potential of the clock signal output terminal OCK, the potential of the clock signal output terminal OCKB, and the potential of the output terminal OUT. When the semiconductor device 10 has the configuration shown in FIGS. 6A and 6B, the timing chart shown in FIG. 7 corresponds to the case where the value of m is 5.

図7等において、電位VDDは電位VSSより高い電位を示す。例えば、電位VSSが接地電位である場合、電位VDDは正電位となる。クロック信号出力端子OCKの電位、及びクロック信号出力端子OCKBの電位は、電位VDD又は電位VSSとすることができる。 In FIG. 7 and the like, the potential VDD shows a potential higher than the potential VSS. For example, when the potential VSS is the ground potential, the potential VDD becomes a positive potential. The potential of the clock signal output terminal OCK and the potential of the clock signal output terminal OCKB can be the potential VDD or the potential VSS.

本明細書等において、クロック信号の電位が例えば電位VDDから電位VSSに切り替わること、又は電位VSSから電位VDDに切り替わることを、クロック信号の位相が切り替わるという。 In the present specification and the like, switching the potential of the clock signal from, for example, the potential VDD to the potential VSS, or switching from the potential VSS to the potential VDD is referred to as switching the phase of the clock signal.

図7に示すように、クロック信号出力端子OCKBから出力されるクロック信号の位相は、クロック信号出力端子OCKから出力されるクロック信号の位相と180°異ならせることができる。つまり、クロック信号出力端子OCKの電位が電位VDDである場合はクロック信号出力端子OCKBの電位を電位VSSとし、クロック信号出力端子OCKの電位が電位VSSである場合はクロック信号出力端子OCKBの電位を電位VDDとすることができる。なお、クロック信号出力端子OCKの電位とクロック信号出力端子OCKBの電位が両方とも電位VDDとなる期間があってもよいし、両方とも電位VSSとなる期間があってもよい。 As shown in FIG. 7, the phase of the clock signal output from the clock signal output terminal OCKB can be 180 ° different from the phase of the clock signal output from the clock signal output terminal OCK. That is, when the potential of the clock signal output terminal OCK is the potential VDD, the potential of the clock signal output terminal OCKB is set to the potential VSS, and when the potential of the clock signal output terminal OCK is the potential VSS, the potential of the clock signal output terminal OCKB is set. It can be the potential VDD. It should be noted that there may be a period in which both the potential of the clock signal output terminal OCK and the potential of the clock signal output terminal OCKB are potential VDD, or there may be a period in which both are potential VSS.

電荷転送スイッチ20及び電荷転送スイッチ30は、クロック信号の位相が切り替わる際に、電荷を転送することができる。例えば、図7に示す場合では、クロック信号の電位が電位VDDから電位VSSに切り替わる際、つまりクロック信号が立ち下がる際に、電荷が転送される。以上により、出力端子OUTの電位が低下する。例えば、入力端子INの電位を電位VSSとする場合、出力端子OUTの電位は、最終的には“5(VSS-VDD+Vth)”まで低下する。 The charge transfer switch 20 and the charge transfer switch 30 can transfer charges when the phase of the clock signal is switched. For example, in the case shown in FIG. 7, the electric charge is transferred when the potential of the clock signal is switched from the potential VDD to the potential VSS, that is, when the clock signal falls. As a result, the potential of the output terminal OUT is lowered. For example, when the potential of the input terminal IN is set to the potential VSS, the potential of the output terminal OUT finally drops to "5 (VSS- VDD + Vth)".

ここで、“Vth“は、電荷転送スイッチが有するトランジスタのしきい値電圧である。前述のように、出力端子OUTの電位は、電荷転送スイッチ20から出力される電位、又は電荷転送スイッチ30から出力される電位のうち、低い方の電位に対応する電位となる。よって、電荷転送スイッチ20が正常に動作する環境下に半導体装置10が置かれている場合等、電荷転送スイッチ20の出力電位が出力端子OUTの電位となる場合には、”Vth“は電荷転送スイッチ20が有するトランジスタのしきい値電圧となる。また、電荷転送スイッチ20が正常に動作しない環境下に半導体装置10が置かれている場合等、電荷転送スイッチ30の出力電位が出力端子OUTの電位となる場合には、”Vth“は電荷転送スイッチ30が有するトランジスタのしきい値電圧となる。 Here, "Vth" is the threshold voltage of the transistor included in the charge transfer switch. As described above, the potential of the output terminal OUT is the potential corresponding to the lower potential of the potential output from the charge transfer switch 20 or the potential output from the charge transfer switch 30. Therefore, when the output potential of the charge transfer switch 20 becomes the potential of the output terminal OUT, such as when the semiconductor device 10 is placed in an environment where the charge transfer switch 20 normally operates, "Vth" is the charge transfer. This is the threshold voltage of the transistor included in the switch 20. Further, when the output potential of the charge transfer switch 30 becomes the potential of the output terminal OUT, such as when the semiconductor device 10 is placed in an environment where the charge transfer switch 20 does not operate normally, "Vth" is the charge transfer. This is the threshold voltage of the transistor included in the switch 30.

なお、図7等では、電荷転送スイッチ20が有するトランジスタのしきい値電圧は全て等しいとし、電荷転送スイッチ30が有するトランジスタのしきい値電圧は全て等しいとしている。また、電荷転送スイッチ20がm個のトランジスタを有し、電荷転送スイッチ20の出力電位が出力端子OUTの電位となる場合は、出力端子OUTの電位は最終的には“m(VSS-VDD+Vth)”となる。さらに、電荷転送スイッチ30がm個のトランジスタを有し、電荷転送スイッチ30の出力電位が出力端子OUTの電位となる場合も、出力端子OUTの電位は最終的には“m(VSS-VDD+Vth)”となる。 In FIG. 7 and the like, the threshold voltages of the transistors of the charge transfer switch 20 are all the same, and the threshold voltages of the transistors of the charge transfer switch 30 are all the same. Further, when the charge transfer switch 20 has m transistors and the output potential of the charge transfer switch 20 becomes the potential of the output terminal OUT, the potential of the output terminal OUT is finally “m (VSS- VDD + Vth)). ". Further, even when the charge transfer switch 30 has m transistors and the output potential of the charge transfer switch 30 becomes the potential of the output terminal OUT, the potential of the output terminal OUT is finally “m (VSS- VDD + Vth)). ".

以上より、しきい値電圧Vthが小さいほど、出力端子OUTの電位は低くなる。よって、しきい値電圧が小さいほど、電荷転送スイッチが有するトランジスタの数(上式におけるmの値)を少なくしても、出力端子OUTの電位を低くすることができる。よって、例えばSiトランジスタはOSトランジスタよりしきい値電圧Vthが小さい場合には、図4(A)、(B)に示すように、トランジスタ21又はトランジスタ22の個数を、トランジスタ31の個数より少なくすることができる。 From the above, the smaller the threshold voltage Vth, the lower the potential of the output terminal OUT. Therefore, as the threshold voltage is smaller, the potential of the output terminal OUT can be lowered even if the number of transistors (value of m in the above equation) of the charge transfer switch is reduced. Therefore, for example, when the threshold voltage Vth of the Si transistor is smaller than that of the OS transistor, the number of transistors 21 or 22 is smaller than the number of transistors 31 as shown in FIGS. 4A and 4B. be able to.

<半導体装置の断面構成例1>
図8は、トランジスタ22及びトランジスタ31、並びに容量素子12を有する半導体装置10の構成例を示す断面図である。図8は、例えば図1(B)、図4(B)、図5(B)に示す構成の半導体装置10に適用することができる。ここで、図8に示すトランジスタ22及びトランジスタ31は、最終段のトランジスタ22、及び最終段のトランジスタ31であるが、最終段以外のトランジスタ22及びトランジスタ31についても図8に示す構成を適用することができる。
<Cross-sectional configuration example 1 of semiconductor device>
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device 10 having a transistor 22 and a transistor 31 and a capacitive element 12. FIG. 8 can be applied to, for example, the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 1 (B), 4 (B), and 5 (B). Here, the transistor 22 and the transistor 31 shown in FIG. 8 are the transistor 22 in the final stage and the transistor 31 in the final stage, but the configuration shown in FIG. 8 shall be applied to the transistor 22 and the transistor 31 other than the final stage. Can be done.

図9(A)はトランジスタ31のチャネル長方向の断面図であり、図9(B)はトランジスタ31のチャネル幅方向の断面図である。 9 (A) is a cross-sectional view of the transistor 31 in the channel length direction, and FIG. 9 (B) is a cross-sectional view of the transistor 31 in the channel width direction.

図8に示すように、Siトランジスタとすることができるトランジスタ22の上層に、OSトランジスタとすることができるトランジスタ31と、容量素子12を設けることができる。 As shown in FIG. 8, a transistor 31 that can be an OS transistor and a capacitive element 12 can be provided on the upper layer of the transistor 22 that can be a Si transistor.

前述のように、トランジスタ22は、基板70に形成することができる。基板70は、例えばp型基板とすることができる。基板70には、p+領域71、及びn型ウェル90が設けられる。n型ウェル90にはn+領域91、並びにp+領域92及びp+領域93が設けられる。 As described above, the transistor 22 can be formed on the substrate 70. The substrate 70 can be, for example, a p-type substrate. The substrate 70 is provided with a p + region 71 and an n-type well 90. The n-type well 90 is provided with an n + region 91, and a p + region 92 and a p + region 93.

p+領域92とp+領域93の間の領域と重なる領域を有するように、基板70上に絶縁体80が設けられる。また、絶縁体80と接する領域を有するように、導電体81が設けられる。なお、絶縁体80は、p+領域92と重なる領域を有してもよいし、p+領域93と重なる領域を有してもよい。 The insulator 80 is provided on the substrate 70 so as to have a region overlapping the region between the p + region 92 and the p + region 93. Further, the conductor 81 is provided so as to have a region in contact with the insulator 80. The insulator 80 may have a region that overlaps with the p + region 92, or may have a region that overlaps with the p + region 93.

ここで、前述のように、p+領域92は、トランジスタ22のソース領域としての機能を有し、p+領域93は、トランジスタ22のドレイン領域としての機能を有する。また、n型ウェル90における、p+領域92とp+領域93の間の領域のうち、ゲート電極としての機能を有する導電体81と重なる領域は、トランジスタ22のチャネル形成領域となる。 Here, as described above, the p + region 92 has a function as a source region of the transistor 22, and the p + region 93 has a function as a drain region of the transistor 22. Further, in the n-type well 90, a region between the p + region 92 and the p + region 93 that overlaps with the conductor 81 having a function as a gate electrode is a channel forming region of the transistor 22.

基板70は、シリコン系半導体等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。又は、Ge(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)等を有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ22をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 The substrate 70 preferably contains a semiconductor such as a silicon-based semiconductor, and preferably contains single crystal silicon. Alternatively, it may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used. Alternatively, the transistor 22 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.

p+領域71、p+領域92、及びp+領域93は、上記基板70に適用される半導体材料に加え、ホウ素等のp型の導電性を付与する元素を含む。また、n型ウェル90及びn+領域91は、上記基板70に適用される半導体材料に加え、リン素等のn型の導電性を付与する元素を含む。 The p + region 71, the p + region 92, and the p + region 93 contain, in addition to the semiconductor material applied to the substrate 70, an element such as boron that imparts p-type conductivity. Further, the n-type well 90 and the n + region 91 contain an element that imparts n-type conductivity such as phosphorus in addition to the semiconductor material applied to the substrate 70.

導電体81は、ホウ素等のp型の導電性を付与する元素を含むシリコン等の半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。又は、導電体81は、リン等のn型の導電性を付与する元素を含むシリコン等の半導体材料、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。 As the conductor 81, a semiconductor material such as silicon containing an element that imparts p-type conductivity such as boron, a metal material, an alloy material, or a conductive material such as a metal oxide material can be used. Alternatively, as the conductor 81, a semiconductor material such as silicon containing an element that imparts n-type conductivity such as phosphorus, a metal material, an alloy material, or a conductive material such as a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することでトランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタル等の材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウム等の金属材料を積層として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耐熱性の点で好ましい。 Since the work function is determined by the material of the conductor, the threshold voltage of the transistor can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.

なお、図8に示すトランジスタ22は一例であり、その構造に限定されず、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 22 shown in FIG. 8 is an example, and the transistor 22 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

トランジスタ22を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326が順に積層して設けられている。 An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order so as to cover the transistor 22.

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、及び絶縁体326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、窒化アルミニウム等を用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, etc. are used. Just do it.

絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ22等によって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。 The insulator 322 may have a function as a flattening film for flattening a step generated by a transistor 22 or the like provided below the insulator 322. For example, the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.

また、絶縁体324には、基板70、又はトランジスタ22等から、トランジスタ31等が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。 Further, for the insulator 324, it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 31 and the like are provided from the substrate 70 or the transistor 22 and the like.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ31等のOSトランジスタに、水素が拡散することで、当該OSトランジスタの特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ31と、トランジスタ22との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used. Here, the characteristics of the OS transistor may deteriorate due to the diffusion of hydrogen in the OS transistor such as the transistor 31. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 31 and the transistor 22. Specifically, the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(Thermal Desorption Spectroscopy;TDS)等を用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of hydrogen desorbed can be analyzed using, for example, a thermal desorption gas analysis method (Thermal Desorption Spectroscopy; TDS) or the like. For example, in the TDS analysis, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is such that the amount desorbed in terms of hydrogen atoms is converted per area of the insulator 324 when the surface temperature of the film is in the range of 50 ° C. to 500 ° C. It may be 10 × 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / cm 2 or less.

なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3. Further, for example, the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less the relative permittivity of the insulator 324. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

また、絶縁体320及び絶縁体322には導電体328が埋め込まれ、絶縁体324及び絶縁体326には導電体330が埋め込まれている。ゲート電極としての機能を有する導電体81とドレイン領域としての機能を有するp+領域93は、導電体328及び導電体330を介して電気的に接続されている。 Further, the conductor 328 is embedded in the insulator 320 and the insulator 322, and the conductor 330 is embedded in the insulator 324 and the insulator 326. The conductor 81 having a function as a gate electrode and the p + region 93 having a function as a drain region are electrically connected via the conductor 328 and the conductor 330.

導電体328、及び導電体330は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線としての機能を有する場合、及び導電体の一部がプラグとしての機能を有する場合もある。 The conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or wiring. Further, in the conductor having a function as a plug or wiring, a plurality of structures may be collectively given the same reference numeral. Further, in the present specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may have a function as a wiring, and a part of the conductor may have a function as a plug.

各プラグ、及び配線(導電体328、及び導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅等の低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 As the material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.

絶縁体326上、及び導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ22と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 8, the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order. Further, a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 22. The conductor 356 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ22とトランジスタ31とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ22からトランジスタ31への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 350, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 22 and the transistor 31 can be separated by the barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 22 to the transistor 31 can be suppressed.

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ22からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。 As the conductor having a barrier property against hydrogen, for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the transistor 22 while maintaining the conductivity as wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体354上、及び導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、及び絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 354 and on the conductor 356. For example, in FIG. 8, the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 are laminated and provided in this order. Further, a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364. The conductor 366 has a function as a plug or wiring. The conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ22とトランジスタ31とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ22からトランジスタ31への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 360, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 366 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 22 and the transistor 31 can be separated by the barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 22 to the transistor 31 can be suppressed.

絶縁体364上、及び導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、及び絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 364 and on the conductor 366. For example, in FIG. 8, the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374 are laminated in this order. Further, a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374. The conductor 376 has a function as a plug or wiring. The conductor 376 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ22とトランジスタ31とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ22からトランジスタ31への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 370, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 376 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 22 and the transistor 31 can be separated by the barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 22 to the transistor 31 can be suppressed.

絶縁体374上、及び導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図8において、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、及び絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided on the insulator 374 and on the conductor 376. For example, in FIG. 8, the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384 are laminated in this order. Further, a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384. The conductor 386 has a function as a plug or wiring. The conductor 386 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ22とトランジスタ31とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ22からトランジスタ31への水素の拡散を抑制することができる。 For example, as the insulator 380, it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324. Further, the conductor 386 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen. With this configuration, the transistor 22 and the transistor 31 can be separated by the barrier layer, and the diffusion of hydrogen from the transistor 22 to the transistor 31 can be suppressed.

上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、及び導電体386を含む配線層、について説明したが、半導体装置10の構成はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。 In the above, the wiring layer including the conductor 356, the wiring layer including the conductor 366, the wiring layer including the conductor 376, and the wiring layer including the conductor 386 have been described, but the configuration of the semiconductor device 10 is limited to this. It is not something that can be done. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 3 or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be 5 or more.

絶縁体384上には絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、及び絶縁体516が順に積層して設けられている。絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、及び絶縁体516のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。 An insulator 510, an insulator 512, an insulator 514, and an insulator 516 are laminated in this order on the insulator 384. As any of the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体510、及び絶縁体514には、例えば、基板70、又はトランジスタ22を設ける領域等から、トランジスタ31を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。 For example, for the insulator 510 and the insulator 514, for example, a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from the area where the substrate 70 or the transistor 22 is provided to the area where the transistor 31 is provided is used. Is preferable. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体510、及び絶縁体514には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property against hydrogen, for example, it is preferable to use metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 510 and the insulator 514.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ31への混入を防止することができる。また、トランジスタ31を構成する金属酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ31に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 31 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, it is possible to suppress the release of oxygen from the metal oxide constituting the transistor 31. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 31.

また、例えば、絶縁体512、及び絶縁体516には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体512、及び絶縁体516として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。 Further, for example, the same material as the insulator 320 can be used for the insulator 512 and the insulator 516. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 512 and the insulator 516, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

図9(A)、(B)に示すように、トランジスタ31は、絶縁体514及び絶縁体516に埋め込まれるように配置された導電体503と、絶縁体516と導電体503の上に配置された絶縁体520と、絶縁体520の上に配置された絶縁体522と、絶縁体522の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された金属酸化物530aと、金属酸化物530aの上に配置された金属酸化物530bと、金属酸化物530b上に、互いに離して配置された導電体542a、及び導電体542bと、絶縁体524、導電体542a及び導電体542b上に配置され、導電体542aと導電体542bの間に重畳して開口が形成された絶縁体580と、開口の中に配置された導電体560と、金属酸化物530b、導電体542a、導電体542b、及び絶縁体580と、導電体560と、の間に配置された絶縁体550と、金属酸化物530b、導電体542a、導電体542b、及び絶縁体580と、絶縁体550と、の間に配置された金属酸化物530cと、を有する。 As shown in FIGS. 9A and 9B, the transistor 31 is arranged on the conductor 503 arranged so as to be embedded in the insulator 514 and the insulator 516, and on the insulator 516 and the conductor 503. Insulator 520, an insulator 522 placed on the insulator 520, an insulator 524 placed on the insulator 522, a metal oxide 530a placed on the insulator 524, and a metal. On the metal oxide 530b arranged on the oxide 530a, the conductor 542a and the conductor 542b arranged apart from each other on the metal oxide 530b, and on the insulator 524, the conductor 542a and the conductor 542b. The insulator 580, which is arranged in the conductor 542a and the conductor 542b and has an opening formed therein, the conductor 560 arranged in the opening, the metal oxide 530b, the conductor 542a, and the conductor. Between the insulator 550 disposed between the 542b and the insulator 580 and the conductor 560, and between the metal oxide 530b, the conductor 542a, the conductor 542b, and the insulator 580 and the insulator 550. It has a metal oxide 530c and a metal oxide arranged in 530c.

また、図9(A)、(B)に示すように、絶縁体524、金属酸化物530a、金属酸化物530b、導電体542a、及び導電体542bと、絶縁体580の間に絶縁体544が配置されることが好ましい。また、図9(A)、(B)に示すように、導電体560は、絶縁体550の内側に設けられた導電体560aと、導電体560aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体560bと、を有することが好ましい。また、図9(A)、(B)に示すように、絶縁体580、導電体560、絶縁体550、及び金属酸化物530cの上に絶縁体574が配置されることが好ましい。 Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, there is an insulator 544 between the insulator 524, the metal oxide 530a, the metal oxide 530b, the conductor 542a, and the conductor 542b, and the insulator 580. It is preferable to be arranged. Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, the conductor 560 is a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor provided so as to be embedded inside the conductor 560a. It is preferable to have 560b. Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, it is preferable that the insulator 574 is arranged on the insulator 580, the conductor 560, the insulator 550, and the metal oxide 530c.

なお、以下において、金属酸化物530a、金属酸化物530b、及び金属酸化物530cをまとめて金属酸化物530という場合がある。また、導電体542a及び導電体542bをまとめて導電体542という場合がある。 In the following, the metal oxide 530a, the metal oxide 530b, and the metal oxide 530c may be collectively referred to as the metal oxide 530. Further, the conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as a conductor 542.

なお、トランジスタ31では、チャネル形成領域と、その近傍において、金属酸化物530a、金属酸化物530b、及び金属酸化物530cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物530bの単層、金属酸化物530bと金属酸化物530aの2層構造、金属酸化物530bと金属酸化物530cの2層構造、又は4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ31では、導電体560を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体560が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図8、図9(A)、(B)に示すトランジスタ31は一例であり、その構造に限定されず、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 31 shows a configuration in which three layers of a metal oxide 530a, a metal oxide 530b, and a metal oxide 530c are laminated in a channel forming region and its vicinity, but the present invention is limited to this. It's not a thing. For example, a single layer of the metal oxide 530b, a two-layer structure of the metal oxide 530b and the metal oxide 530a, a two-layer structure of the metal oxide 530b and the metal oxide 530c, or a laminated structure of four or more layers is provided. May be good. Further, in the transistor 31, the conductor 560 is shown as a two-layer laminated structure, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 560 may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers. Further, the transistor 31 shown in FIGS. 8 and 9 (A) and 9 (B) is an example, and the transistor is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.

ここで、導電体560は、トランジスタ31のゲート電極として機能し、導電体542aは、トランジスタ31のドレイン電極として機能し、導電体542bは、トランジスタ31のソース電極としての機能を有する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、及び導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体560、導電体542a及び導電体542bの配置は、絶縁体580の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ31において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体560を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ31の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置10の微細化、高集積化を図ることができる。 Here, the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor 31, the conductor 542a functions as a drain electrode of the transistor 31, and the conductor 542b has a function of a source electrode of the transistor 31. As described above, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b. The arrangement of the conductor 560, the conductor 542a and the conductor 542b is self-aligned with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 31, the gate electrode can be arranged in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, since the conductor 560 can be formed without providing the alignment margin, the occupied area of the transistor 31 can be reduced. As a result, the semiconductor device 10 can be miniaturized and highly integrated.

さらに、導電体560が、導電体542aと導電体542bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体560は、導電体542a又は導電体542bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体560と導電体542a及び導電体542bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ31のスイッチング速度を向上させ、トランジスタ31の周波数特性を高めることができる。 Further, since the conductor 560 is formed in a region between the conductor 542a and the conductor 542b in a self-aligned manner, the conductor 560 does not have a region overlapping with the conductor 542a or the conductor 542b. This makes it possible to reduce the parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b. Therefore, the switching speed of the transistor 31 can be improved and the frequency characteristic of the transistor 31 can be improved.

導電体560は、第1のゲート電極としての機能を有する場合がある。また、導電体503は、第2のゲート電極としての機能を有する場合がある。その場合、導電体503に印加する電位を、導電体560に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ31のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体503に負の電位を印加することにより、トランジスタ31のしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を小さくすることが可能となる。したがって、導電体503に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 The conductor 560 may have a function as a first gate electrode. Further, the conductor 503 may have a function as a second gate electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 31 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, the threshold voltage of the transistor 31 can be made larger than 0V and the off-current can be made smaller. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 503, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.

本明細書等において、第1のゲート電極は、例えばトップゲート電極を示す。また、第2のゲート電極は、例えばバックゲート電極を示す。なお、第1のゲート電極がバックゲート電極であり、第2のゲート電極がトップゲート電極であってもよい。 In the present specification and the like, the first gate electrode indicates, for example, a top gate electrode. Further, the second gate electrode indicates, for example, a back gate electrode. The first gate electrode may be a back gate electrode and the second gate electrode may be a top gate electrode.

導電体503は、金属酸化物530、及び導電体560と重なる領域を有するように配置する。これにより、導電体560、及び導電体503に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体503から生じる電界と、がつながり、金属酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第1のゲート電極、及び第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s-channel)構造とよぶ。 The conductor 503 is arranged so as to have a region overlapping the metal oxide 530 and the conductor 560. As a result, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 503 are connected to cover the channel forming region formed in the metal oxide 530. be able to. In the present specification and the like, the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is called a surrounded channel (s-channel) structure.

また、導電体503は、絶縁体514及び絶縁体516の開口の内壁に接して導電体503aが形成され、さらに内側に導電体503bが形成されている。 Further, the conductor 503 is in contact with the inner wall of the opening of the insulator 514 and the insulator 516 to form the conductor 503a, and the conductor 503b is further formed inside.

絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524は、第2のゲート電極のゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁体550は、第1のゲート電極のゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a gate insulating film of the second gate electrode. The insulator 550 has a function as a gate insulating film of the first gate electrode.

ここで、金属酸化物530と接する絶縁体524として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体524には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を金属酸化物530に接して設けることにより、金属酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ31の信頼性を向上させることができる。 Here, as the insulator 524 in contact with the metal oxide 530, it is preferable to use an insulator containing more oxygen than oxygen satisfying the stoichiometric composition. That is, it is preferable that the insulator 524 has an excess oxygen region formed therein. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the metal oxide 530, oxygen deficiency in the metal oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 31 can be improved.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm以上、又は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700℃以下、又は100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 As the insulator having an excess oxygen region, specifically, it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating. Oxides that desorb oxygen by heating have an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19 in terms of oxygen atoms in TDS analysis. An oxide film having atoms / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

また、絶縁体524が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体522は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。 Further, when the insulator 524 has an excess oxygen region, it is preferable that the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).

絶縁体522が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、金属酸化物530が有する酸素は、絶縁体520側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体503が、絶縁体524や、金属酸化物530が有する酸素と反応することを抑制することができる。 Since the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, the oxygen contained in the metal oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side, which is preferable. Further, it is possible to suppress the conductor 503 from reacting with the oxygen contained in the insulator 524 and the metal oxide 530.

絶縁体522は、例えば、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)、(Ba,Sr)TiO(BST)等のいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体にhigh-k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 522 is a so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), (Ba, Sr) TiO 3 (BST) and the like. -It is preferable to use an insulator containing a k material in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for an insulator having a function as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.

特に、不純物、及び酸素等の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料であるアルミニウム及びハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム及びハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)等を用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体522を形成した場合、絶縁体522は、金属酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ31の周辺部から金属酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層としての機能を有する。 In particular, it is preferable to use an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the above-mentioned oxygen is difficult to permeate). As an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like. When the insulator 522 is formed by using such a material, the insulator 522 releases oxygen from the metal oxide 530 and mixes impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 31 into the metal oxide 530. It has a function as a suppressing layer.

又は、これらの絶縁体に、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、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon nitride, or silicon nitride may be laminated and used on the above-mentioned insulator.

また、絶縁体520は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high-k材料の絶縁体を酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体520を得ることができる。 Further, the insulator 520 is preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon nitride nitride are suitable because they are thermally stable. Further, by combining the insulator of the high-k material with silicon oxide or silicon oxide nitride, it is possible to obtain an insulator 520 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity.

なお、絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 The insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 may have a laminated structure of two or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

トランジスタ31は、チャネル形成領域を含む金属酸化物530に、酸化物半導体としての機能を有する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物530として、In-M-Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、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、若しくはマグネシウム等から選ばれた一種、又は複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、金属酸化物530として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。 For the transistor 31, it is preferable to use a metal oxide having a function as an oxide semiconductor for the metal oxide 530 including the channel forming region. For example, as the metal oxide 530, In—M—Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, etc. It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like. Further, In—Ga oxide or In—Zn oxide may be used as the metal oxide 530.

前述のように、金属酸化物530においてチャネル形成領域にとしての機能を有する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 As described above, it is preferable to use a metal oxide having a bandgap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, as the metal oxide having a function as a channel forming region in the metal oxide 530. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.

金属酸化物530は、金属酸化物530b下に金属酸化物530aを有することで、金属酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、金属酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、金属酸化物530b上に金属酸化物530cを有することで、金属酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、金属酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。 By having the metal oxide 530a under the metal oxide 530b, the metal oxide 530 can suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the metal oxide 530a to the metal oxide 530b. can. Further, by having the metal oxide 530c on the metal oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the structure formed above the metal oxide 530c to the metal oxide 530b.

なお、金属酸化物530は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、金属酸化物530aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、金属酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、金属酸化物530aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、金属酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、金属酸化物530aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物530cは、金属酸化物530a又は金属酸化物530bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。 The metal oxide 530 preferably has a laminated structure due to oxides having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the metal oxide 530a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is higher than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used for the metal oxide 530b. , Preferably large. Further, in the metal oxide used for the metal oxide 530a, the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the metal oxide 530b. Further, in the metal oxide used for the metal oxide 530b, the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the metal oxide 530a. Further, as the metal oxide 530c, a metal oxide that can be used for the metal oxide 530a or the metal oxide 530b can be used.

また、金属酸化物530a及び金属酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物530bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、金属酸化物530a及び金属酸化物530cの電子親和力が、金属酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the metal oxide 530a and the metal oxide 530c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the metal oxide 530b. In other words, it is preferable that the electron affinity of the metal oxide 530a and the metal oxide 530c is smaller than the electron affinity of the metal oxide 530b.

ここで、金属酸化物530a、金属酸化物530b、及び金属酸化物530cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、金属酸化物530a、金属酸化物530b、及び金属酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、金属酸化物530aと金属酸化物530bとの界面、及び金属酸化物530bと金属酸化物530cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, at the junction of the metal oxide 530a, the metal oxide 530b, and the metal oxide 530c, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the metal oxide 530a, the metal oxide 530b, and the metal oxide 530c is continuously changed or continuously bonded. In order to do so, it is preferable to reduce the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the metal oxide 530a and the metal oxide 530b and the interface between the metal oxide 530b and the metal oxide 530c.

具体的には、金属酸化物530aと金属酸化物530b、金属酸化物530bと金属酸化物530cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、金属酸化物530bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、金属酸化物530a及び金属酸化物530cとして、In-Ga-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。 Specifically, the metal oxide 530a and the metal oxide 530b, and the metal oxide 530b and the metal oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, so that the defect level density is low. Layers can be formed. For example, when the metal oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the metal oxide 530a and the metal oxide 530c.

このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物530bとなる。金属酸化物530a、金属酸化物530cを上述の構成とすることで、金属酸化物530aと金属酸化物530bとの界面、及び金属酸化物530bと金属酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ31は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of the carrier is the metal oxide 530b. By configuring the metal oxide 530a and the metal oxide 530c as described above, the defect level density at the interface between the metal oxide 530a and the metal oxide 530b and the interface between the metal oxide 530b and the metal oxide 530c can be determined. Can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 31 can obtain a high on-current.

金属酸化物530b上には、ドレイン電極としての機能を有する導電体542a、及びソース電極としての機能を有する導電体542bが設けられる。導電体542(導電体542a及び導電体542b)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、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物等を用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、又は、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。 On the metal oxide 530b, a conductor 542a having a function as a drain electrode and a conductor 542b having a function as a source electrode are provided. The conductors 542 (conductors 542a and 542b) include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, and berylium. , Indium, ruthenium, iridium, strontium, a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, or an alloy in which the above-mentioned metal element is combined is preferably used. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, a nitride containing titanium and aluminum, a nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. Is preferable. In addition, tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen.

また、図9(A)に示すように、金属酸化物530の、導電体542との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域543(領域543a、及び領域543b)が形成される場合がある。このとき、領域543aはドレイン領域として機能し、領域543bはソース領域としての機能を有する。また、領域543aと領域543bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。 Further, as shown in FIG. 9A, when a region 543 (region 543a and region 543b) is formed as a low resistance region at the interface of the metal oxide 530 with the conductor 542 and its vicinity thereof. There is. At this time, the region 543a functions as a drain region, and the region 543b functions as a source region. Further, a channel formation region is formed in a region sandwiched between the region 543a and the region 543b.

金属酸化物530と接するように上記導電体542を設けることで、領域543の酸素濃度が低減する場合がある。また、導電体542に含まれる金属と、金属酸化物530の成分とを含む金属化合物層が、領域543に形成される場合がある。このような場合、領域543のキャリア密度が増加し、領域543は低抵抗領域となる。 By providing the conductor 542 so as to be in contact with the metal oxide 530, the oxygen concentration in the region 543 may be reduced. Further, a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 542 and the component of the metal oxide 530 may be formed in the region 543. In such a case, the carrier density of the region 543 increases, and the region 543 becomes a low resistance region.

絶縁体544は、導電体542を覆うように設けられ、導電体542の酸化を抑制する。このとき、絶縁体544は、金属酸化物530の側面を覆い、絶縁体524と接するように設けられてもよい。 The insulator 544 is provided so as to cover the conductor 542 and suppresses the oxidation of the conductor 542. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover the side surface of the metal oxide 530 and come into contact with the insulator 524.

絶縁体544として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又は、マグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 As the insulator 544, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used. can.

特に、絶縁体544として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)等を用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体542が耐酸化性を有する材料、又は、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体544は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, as the insulator 544, it is preferable to use aluminum, or an oxide containing one or both oxides of aluminum or hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, aluminum and an oxide containing hafnium (hafnium aluminate). In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step. If the conductor 542 is a material having oxidation resistance, or if the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed, the insulator 544 is not an essential configuration. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁体550は、金属酸化物530cの内側(上面及び側面)と接して配置することが好ましい。絶縁体550は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm以上、又は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700℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 550 has a function as a gate insulating film. The insulator 550 is preferably arranged in contact with the inside (upper surface and side surface) of the metal oxide 530c. The insulator 550 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating. For example, in TDS analysis, the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, and more preferably 2. It is an oxide film having a ratio of 0.0 × 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。 Specifically, it has silicon oxide having excess oxygen, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies. Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体550として、金属酸化物530cの上面に接して設けることにより、絶縁体550から、金属酸化物530cを通じて、金属酸化物530bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体524と同様に、絶縁体550中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体550の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator that releases oxygen by heating as an insulator 550 in contact with the upper surface of the metal oxide 530c, it is effective from the insulator 550 through the metal oxide 530c to the channel forming region of the metal oxide 530b. Oxygen can be supplied. Further, as with the insulator 524, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is reduced. The film thickness of the insulator 550 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.

また、絶縁体550が有する過剰酸素を、効率的に金属酸化物530へ供給するために、絶縁体550と導電体560との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体550から導電体560への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体550から導電体560への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、金属酸化物530へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。絶縁体550と導電体560との間に設けられる金属酸化物としては、絶縁体544に用いることができる材料を用いればよい。 Further, in order to efficiently supply the excess oxygen contained in the insulator 550 to the metal oxide 530, a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560. The metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560. By providing the metal oxide that suppresses the diffusion of oxygen, the diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the metal oxide 530. In addition, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide provided between the insulator 550 and the conductor 560, a material that can be used for the insulator 544 may be used.

第1のゲート電極としての機能を有する導電体560は、図9(A)、(B)では2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 The conductor 560 having a function as the first gate electrode is shown as a two-layer structure in FIGS. 9A and 9B, but may be a single-layer structure or a laminated structure having three or more layers. May be good.

導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NO等)、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体550に含まれる酸素により、導電体560bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、又は酸化ルテニウム等を用いることが好ましい。 The conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule ( N2O, NO, NO2 , etc.) and copper atom. It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.). Since the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 560b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 550 and the conductivity from being lowered. As the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.

また、導電体560bは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560bは、配線としての機能も有するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。 Further, as the conductor 560b, it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560b also has a function as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, a laminated structure of titanium or titanium nitride and the conductive material.

絶縁体580は、絶縁体544を介して、導電体542上に設けられる。絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体580として、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、又は樹脂等を有することが好ましい。特に、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。 The insulator 580 is provided on the conductor 542 via the insulator 544. The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. For example, as the insulator 580, silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having pores are used. , Or a resin or the like is preferable. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having pores are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.

絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体580を、金属酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、金属酸化物530cを通じて、金属酸化物530a及び金属酸化物530bへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。 The insulator 580 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 580 in which oxygen is released by heating in contact with the metal oxide 530c, the oxygen in the insulator 580 is efficiently transferred to the metal oxide 530a and the metal oxide 530b through the metal oxide 530c. Can be supplied. It is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 580 is reduced.

絶縁体580の開口は、導電体542aと導電体542bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体560は、絶縁体580の開口、及び導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。 The opening of the insulator 580 is formed so as to overlap with the region between the conductor 542a and the conductor 542b. As a result, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.

半導体装置10を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体560の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体560の膜厚を大きくすると、導電体560はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体560を絶縁体580の開口に埋め込むように設けるため、導電体560をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体560を倒壊させることなく、形成することができる。 In miniaturizing the semiconductor device 10, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from decreasing. Therefore, if the film thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 may have a shape having a high aspect ratio. In the present embodiment, since the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, even if the conductor 560 has a shape having a high aspect ratio, the conductor 560 is formed without collapsing during the process. Can be done.

絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、及び絶縁体550の上面、及び金属酸化物530cに接して設けられることが好ましい。絶縁体574をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体550及び絶縁体580へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、金属酸化物530中に酸素を供給することができる。 The insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, the upper surface of the insulator 550, and the metal oxide 530c. By forming the insulator 574 into a film by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580. Thereby, oxygen can be supplied into the metal oxide 530 from the excess oxygen region.

例えば、絶縁体574として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 574, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, ittrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like is used. Can be done.

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素等の不純物のバリア膜としての機能も有することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide formed by the sputtering method can have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen as well as an oxygen supply source.

また、絶縁体574の上に、層間膜としての機能を有する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524等と同様に、膜中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Further, it is preferable to provide an insulator 581 having a function as an interlayer film on the insulator 574. It is preferable that the insulator 581 has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the membrane, similarly to the insulator 524 and the like.

図8に示すように、容量素子12は、絶縁体516、絶縁体514、絶縁体512、及び絶縁体510に埋め込まれた導電体518と、導電体518の上に配置された絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された導電体541と、を有する。 As shown in FIG. 8, the capacitive element 12 includes an insulator 516, an insulator 514, an insulator 512, a conductor 518 embedded in the insulator 510, and an insulator 520 arranged on the conductor 518. It has an insulator 522, an insulator 524, and a conductor 541 arranged on the insulator 524.

導電体518は、容量素子12の一方の電極として機能し、導電体386、導電体376、導電体366、導電体356、導電体330、及び導電体328を介して、トランジスタ22のソース領域としての機能を有するp+領域92と電気的に接続されている。絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524は、容量素子12の誘電体としての機能を有する。導電体541は、容量素子12の他方の電極としての機能を有する。 The conductor 518 functions as one electrode of the capacitive element 12, and serves as a source region of the transistor 22 via the conductor 386, the conductor 376, the conductor 366, the conductor 356, the conductor 330, and the conductor 328. It is electrically connected to the p + region 92 having the function of. The insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a dielectric of the capacitive element 12. The conductor 541 has a function as the other electrode of the capacitive element 12.

導電体518は、導電体503と同一材料、同一工程により形成することができる。導電体541は、導電体542a及び導電体542bと同一材料、同一工程により形成することができる。 The conductor 518 can be formed by the same material and the same process as the conductor 503. The conductor 541 can be formed by the same material and the same process as the conductor 542a and the conductor 542b.

容量素子12を図8に示す構成とすることにより、絶縁体520、絶縁体522、及び絶縁体524の3層を、容量素子12の誘電体とすることができる。よって、半導体装置10の作製工程数及びスループットを増加させることなく、容量素子12の誘電体の膜厚を、例えば絶縁体550を容量素子12の誘電体とする場合より厚くすることができる。よって、容量素子12に保持された電荷が、容量素子12の誘電体を介してリークすることを抑制することができるため、容量素子12に長期間電荷を保持することができる。したがって、半導体装置10の消費電力を低減させることができる。 By configuring the capacitive element 12 as shown in FIG. 8, the three layers of the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 can be used as the dielectric of the capacitive element 12. Therefore, the thickness of the dielectric of the capacitive element 12 can be made thicker than, for example, when the insulator 550 is used as the dielectric of the capacitive element 12 without increasing the number of manufacturing steps and the throughput of the semiconductor device 10. Therefore, it is possible to prevent the electric charge held in the capacitive element 12 from leaking through the dielectric of the capacitive element 12, so that the electric charge can be retained in the capacitive element 12 for a long period of time. Therefore, the power consumption of the semiconductor device 10 can be reduced.

絶縁体581上には、絶縁体582が設けられている。絶縁体582は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体582には、絶縁体514と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体582には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 582 is provided on the insulator 581. As the insulator 582, it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 514 can be used for the insulator 582. For example, it is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 582.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ31への混入を防止することができる。また、トランジスタ31を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ31に対する保護膜として用いることに適している。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 31 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, it is possible to suppress the release of oxygen from the oxide constituting the transistor 31. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 31.

また、絶縁体582上には、絶縁体586が設けられている。絶縁体586は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体586として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。 Further, an insulator 586 is provided on the insulator 582. As the insulator 586, the same material as the insulator 320 can be used. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings. For example, as the insulator 586, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used.

また、絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、絶縁体544、絶縁体580、絶縁体574、絶縁体581、絶縁体582、及び絶縁体586には、導電体546、及び導電体548が埋め込まれている。 Further, the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include a conductor 546 and a conductor 548. It is embedded.

導電体546、及び導電体548は、容量素子12、トランジスタ31、又はトランジスタ22と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体546、及び導電体548は、導電体328、及び導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductor 546 and the conductor 548 have a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 12, the transistor 31, or the transistor 22. The conductor 546 and the conductor 548 can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.

導電体546、及び導電体548上に、導電体610、導電体612、及び導電体614が設けられる。導電体610は、トランジスタ31と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体612は、導電体560、導電体542a、及び導電体518を互いに接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体614は、容量素子12と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。 A conductor 610, a conductor 612, and a conductor 614 are provided on the conductor 546 and the conductor 548. The conductor 610 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 31. The conductor 612 has a function as a plug or wiring for connecting the conductor 560, the conductor 542a, and the conductor 518 to each other. The conductor 614 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 12.

導電体610、導電体612、及び導電体614には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。又は、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等の導電性材料を適用することもできる。 The conductor 610, the conductor 612, and the conductor 614 are composed of a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or the above-mentioned elements. A metal nitride film (tantal nitride film, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) or the like can be used. Alternatively, 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, and silicon oxide are added. It is also possible to apply a conductive material such as indium-tin oxide.

図8では、導電体610、導電体612、及び導電体614は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。 In FIG. 8, the conductor 610, the conductor 612, and the conductor 614 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to the conductor having a high conductivity may be formed between the conductor having the barrier property and the conductor having a high conductivity.

導電体610、導電体612、導電体614、及び絶縁体586上には、絶縁体650が設けられている。絶縁体650は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体650は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 An insulator 650 is provided on the conductor 610, the conductor 612, the conductor 614, and the insulator 586. The insulator 650 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 650 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 650.

なお、容量素子41、又は容量素子51及び容量素子61は、絶縁体586上に設けることができる。この場合、半導体装置10の回路面積を小さくすることができる。また、容量素子41、又は容量素子51及び容量素子61は、容量素子12と同一の層に設けることができる。つまり、容量素子41、又は容量素子51及び容量素子61は、容量素子12と同一工程により形成することができる。この場合、半導体装置10の作製工程を簡略化することができるので、半導体装置10を低価格なものとすることができる。 The capacitive element 41, or the capacitive element 51 and the capacitive element 61 can be provided on the insulator 586. In this case, the circuit area of the semiconductor device 10 can be reduced. Further, the capacitive element 41, or the capacitive element 51 and the capacitive element 61 can be provided in the same layer as the capacitive element 12. That is, the capacitive element 41, or the capacitive element 51 and the capacitive element 61 can be formed by the same process as the capacitive element 12. In this case, since the manufacturing process of the semiconductor device 10 can be simplified, the semiconductor device 10 can be made inexpensive.

本構造を用いることで、金属酸化物を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。又は、オン電流が大きい金属酸化物を有するトランジスタを提供することができる。又は、オフ電流が小さい金属酸化物を有するトランジスタを提供することができる。又は、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。又は、金属酸化物を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。 By using this structure, it is possible to suppress fluctuations in electrical characteristics and improve reliability in a semiconductor device using a transistor having a metal oxide. Alternatively, it is possible to provide a transistor having a metal oxide having a large on-current. Alternatively, a transistor having a metal oxide having a small off-current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor having a metal oxide, miniaturization or high integration can be achieved.

<半導体装置の断面構成例2>
図10は、トランジスタ31及びトランジスタ32、並びに容量素子12を有する半導体装置10の構成例を示す断面図である。図10は、例えば図6(A)、(B)に示す構成の半導体装置10に適用することができる。ここで、図10に示すトランジスタ31は、最終段のトランジスタ31であるが、最終段以外のトランジスタ31についても、図10に示す構成を適用することができる。
<Cross-sectional configuration example 2 of semiconductor device>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device 10 having a transistor 31, a transistor 32, and a capacitive element 12. FIG. 10 can be applied to, for example, the semiconductor device 10 having the configurations shown in FIGS. 6A and 6B. Here, the transistor 31 shown in FIG. 10 is the transistor 31 in the final stage, but the configuration shown in FIG. 10 can be applied to the transistor 31 other than the final stage.

なお、図10では絶縁体512より下層を省略しているが、図8と同様の構成とすることができる。 Although the lower layer is omitted from the insulator 512 in FIG. 10, the configuration can be the same as that in FIG.

トランジスタ31は、図8と同様の構成とすることができる。トランジスタ32は、トランジスタ31と同様の構成とすることができ、トランジスタ31と同一の層に設けることができる。 The transistor 31 can have the same configuration as that shown in FIG. The transistor 32 can have the same configuration as the transistor 31, and can be provided on the same layer as the transistor 31.

図10に示す構成の半導体装置10では、導電体542aを、容量素子12の一方の電極とすることができる。また、導電体503と同一材料、同一工程で形成することができる導電体518を、容量素子12の他方の電極とすることができる。また、導電体546上、及び導電体548上に、導電体620、導電体622、導電体624、導電体626、及び導電体628が設けられる。導電体620は、トランジスタ31と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体622は、トランジスタ31が有する導電体560と、導電体542aと、を互いに接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体624は、容量素子12と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体626は、トランジスタ32が有する導電体560と、導電体542aと、を互いに接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体628は、トランジスタ32と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。ここで、導電体624は、出力端子OUTと電気的にすることができる。 In the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 10, the conductor 542a can be used as one electrode of the capacitive element 12. Further, the conductor 518, which is made of the same material as the conductor 503 and can be formed in the same process, can be used as the other electrode of the capacitive element 12. Further, the conductor 620, the conductor 622, the conductor 624, the conductor 626, and the conductor 628 are provided on the conductor 546 and the conductor 548. The conductor 620 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 31. The conductor 622 has a function as a plug or wiring for connecting the conductor 560 of the transistor 31 and the conductor 542a to each other. The conductor 624 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 12. The conductor 626 has a function as a plug or wiring for connecting the conductor 560 of the transistor 32 and the conductor 542a to each other. The conductor 628 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 32. Here, the conductor 624 can be electrically connected to the output terminal OUT.

導電体620、導電体622、導電体624、導電体626、及び導電体628には、図8に示す導電体610、導電体612、及び導電体614と同様の材料を用いることができる。また、導電体620、導電体622、導電体624、導電体626、導電体628、及び絶縁体586上には、絶縁体650が設けられている。 For the conductor 620, the conductor 622, the conductor 624, the conductor 626, and the conductor 628, the same materials as those of the conductor 610, the conductor 612, and the conductor 614 shown in FIG. 8 can be used. Further, an insulator 650 is provided on the conductor 620, the conductor 622, the conductor 624, the conductor 626, the conductor 628, and the insulator 586.

<半導体装置が出力した電位の供給先>
次に、半導体装置10が出力端子OUTから出力した電位の供給先について説明する。図11は、半導体装置10が有する出力端子OUTの接続先を示す回路図である。図11に示すように、出力端子OUTの電位は、例えばメモリセル209が配列されたセルアレイ200に供給することができる。セルアレイ200は、例えば記憶装置、CPU(Central Processing Unit)、又は撮像装置等の一部を構成する。なお、図11では、セルアレイ200にメモリセル209が1行だけ設けた構成を示しているが、セルアレイ200にはメモリセル209をマトリクス状に設けることができる。
<Potential supply destination output by the semiconductor device>
Next, the supply destination of the potential output from the output terminal OUT of the semiconductor device 10 will be described. FIG. 11 is a circuit diagram showing a connection destination of the output terminal OUT included in the semiconductor device 10. As shown in FIG. 11, the potential of the output terminal OUT can be supplied to, for example, the cell array 200 in which the memory cells 209 are arranged. The cell array 200 constitutes, for example, a part of a storage device, a CPU (Central Processing Unit), an image pickup device, or the like. Although FIG. 11 shows a configuration in which only one row of memory cells 209 is provided in the cell array 200, the memory cells 209 can be provided in a matrix in the cell array 200.

メモリセル209は、トランジスタMW、及び容量素子CSを有する。トランジスタMWのソース又はドレインの一方は、容量素子CSの一方の電極と電気的に接続されている。トランジスタMWの第1のゲートは、ワード線としての機能を有する配線WLと電気的に接続されている。トランジスタMWの第2のゲートは、配線BGLを介して半導体装置10の出力端子OUTと電気的に接続されている。また、容量素子CSの他方の電極には、例えば電位VSSを供給することができる。 The memory cell 209 includes a transistor MW and a capacitive element CS. One of the source or drain of the transistor MW is electrically connected to one electrode of the capacitive element CS. The first gate of the transistor MW is electrically connected to a wiring WL having a function as a word line. The second gate of the transistor MW is electrically connected to the output terminal OUT of the semiconductor device 10 via the wiring BGL. Further, for example, a potential VSS can be supplied to the other electrode of the capacitive element CS.

図11に示すように、半導体装置10が出力端子OUTから出力した電位は、トランジスタMWの第2のゲートに供給することができる。前述のように、出力端子OUTの電位は、入力端子INの電位より低くすることができ、例えば負電位とすることができる。出力端子OUTの電位が負電位である場合、トランジスタMWの第2のゲートに負電位が供給されることになるので、トランジスタMWのしきい値電圧がプラスシフトし、オフ電流を低減することができる。これにより、容量素子CSに長期間電荷を保持することができる。よって、容量素子CSへの電荷の書き込みの頻度を低下させることができるので、本発明の一態様の半導体装置の消費電力を低減することができる。 As shown in FIG. 11, the potential output from the output terminal OUT of the semiconductor device 10 can be supplied to the second gate of the transistor MW. As described above, the potential of the output terminal OUT can be lower than the potential of the input terminal IN, and can be, for example, a negative potential. When the potential of the output terminal OUT is a negative potential, the negative potential is supplied to the second gate of the transistor MW, so that the threshold voltage of the transistor MW is positively shifted and the off current can be reduced. can. As a result, the electric charge can be retained in the capacitive element CS for a long period of time. Therefore, since the frequency of writing the electric charge to the capacitive element CS can be reduced, the power consumption of the semiconductor device according to one aspect of the present invention can be reduced.

トランジスタMWは、OSトランジスタとすることが好ましい。前述のように、OSトランジスタのオフ電流は極めて小さい。よって、トランジスタMWをOSトランジスタとすることにより、容量素子CSへの電荷の書き込みの頻度をさらに低下させることができ、本発明の一態様の半導体装置の消費電力をさらに低減することができる。 The transistor MW is preferably an OS transistor. As mentioned above, the off current of the OS transistor is extremely small. Therefore, by using the transistor MW as an OS transistor, the frequency of writing charges to the capacitive element CS can be further reduced, and the power consumption of the semiconductor device according to one aspect of the present invention can be further reduced.

なお、図11では、1個のセルアレイ200に対して1個の半導体装置10が設けられる構成を示しているが、1個のセルアレイ200に対して2個以上の半導体装置10を設けてもよい。半導体装置10の個数を増加させることにより、信号遅延等を低減することができるため、本発明の一態様の半導体装置の動作を高速化することができる。 Although FIG. 11 shows a configuration in which one semiconductor device 10 is provided for one cell array 200, two or more semiconductor devices 10 may be provided for one cell array 200. .. By increasing the number of semiconductor devices 10, signal delay and the like can be reduced, so that the operation of the semiconductor device according to one aspect of the present invention can be speeded up.

以下では、セルアレイ200を記憶装置に適用した場合について説明する。図12(A)は、セルアレイ200を適用した記憶装置210の構成例を示すブロック図である。前述のように、セルアレイ200にはメモリセル209をマトリクス状に配列することができる。 Hereinafter, a case where the cell array 200 is applied to the storage device will be described. FIG. 12A is a block diagram showing a configuration example of the storage device 210 to which the cell array 200 is applied. As described above, the memory cells 209 can be arranged in a matrix in the cell array 200.

記憶装置210は、セルアレイ200の他、電位生成部201、制御部202、及び周辺回路208を有する。電位生成部201は、半導体装置10を有する。周辺回路208は、センスアンプ回路204、ドライバ205、メインアンプ206、入出力回路207を有する。 The storage device 210 includes a potential generation unit 201, a control unit 202, and a peripheral circuit 208 in addition to the cell array 200. The potential generation unit 201 has a semiconductor device 10. The peripheral circuit 208 includes a sense amplifier circuit 204, a driver 205, a main amplifier 206, and an input / output circuit 207.

メモリセル209は、配線WL、配線LBL(又は配線LBLB)、及び配線BGLと電気的に接続されている。前述のように、配線WLはワード線としての機能を有する。また、配線LBL及び配線LBLBは、ローカルビット線としての機能を有する。 The memory cell 209 is electrically connected to the wiring WL, the wiring LBL (or the wiring LBLB), and the wiring BGL. As described above, the wiring WL has a function as a word line. Further, the wiring LBL and the wiring LBLB have a function as a local bit line.

図12(B)は、メモリセル209の構成例である。図12(B)は、図11に示す構成のメモリセル209に、配線LBLを追加したものである。配線LBLは、トランジスタMWのソース又はドレインの他方と電気的に接続されている。 FIG. 12B is a configuration example of the memory cell 209. 12 (B) shows the memory cell 209 having the configuration shown in FIG. 11 with the wiring LBL added. The wiring LBL is electrically connected to the other of the source or drain of the transistor MW.

ドライバ205には、複数の配線WL、及び複数の配線CSELが電気的に接続されている。ドライバ205は、複数の配線WL、及び複数の配線CSELに出力する信号を生成する。 A plurality of wiring WLs and a plurality of wiring CSELs are electrically connected to the driver 205. The driver 205 generates a signal to be output to a plurality of wiring WLs and a plurality of wiring CSELs.

セルアレイ200は、センスアンプ回路204に積層して設けられている。センスアンプ回路204は、複数のセンスアンプSAを有する。センスアンプSAは隣接する配線LBL及び配線LBLB(ローカルビット線対)、配線GBL及び配線GBLB(グローバルビット線対)、複数の配線CSELと電気的に接続されている。センスアンプSAは配線LBLと配線LBLBとの電位差を増幅する機能を有する。 The cell array 200 is provided so as to be laminated on the sense amplifier circuit 204. The sense amplifier circuit 204 has a plurality of sense amplifiers SA. The sense amplifier SA is electrically connected to adjacent wiring LBL and wiring LBLB (local bit line pair), wiring GBL and wiring GBLB (global bit line pair), and a plurality of wiring CSELs. The sense amplifier SA has a function of amplifying the potential difference between the wiring LBL and the wiring LBLB.

センスアンプ回路204には、4本の配線LBLに対して、1本の配線GBLが設けられ、4本の配線LBLBに対して1本の配線GBLBが設けられているが、センスアンプ回路204の構成は、図12(A)の構成例に限定されない。 In the sense amplifier circuit 204, one wiring GBL is provided for each of the four wiring LBBLs, and one wiring GBLB is provided for each of the four wiring LBLBs. The configuration is not limited to the configuration example of FIG. 12 (A).

メインアンプ206は、センスアンプ回路204及び入出力回路207に接続されている。メインアンプ206は、配線GBLの電圧を増幅する機能を有する。メインアンプ206は省略することができる。 The main amplifier 206 is connected to the sense amplifier circuit 204 and the input / output circuit 207. The main amplifier 206 has a function of amplifying the voltage of the wiring GBL. The main amplifier 206 can be omitted.

入出力回路207は、書き込みデータに対応する電位を配線GBLに入力する機能を有する。また、入出力回路207は、配線GBLの電位、又はメインアンプ206の出力電位を読み出しデータとして外部に出力する機能を有する。 The input / output circuit 207 has a function of inputting a potential corresponding to write data to the wiring GBL. Further, the input / output circuit 207 has a function of reading out the potential of the wiring GBL or the output potential of the main amplifier 206 to the outside as read data.

配線CSELの信号によって、データを読み出すセンスアンプSA、及びデータを書き込むセンスアンプSAを選択することができる。そのため、入出力回路207は、マルチプレクサ等の選択回路が不要であるため、回路構成を簡単化でき、占有面積を縮小することができる。 A sense amplifier SA for reading data and a sense amplifier SA for writing data can be selected by the signal of the wiring CSEL. Therefore, since the input / output circuit 207 does not require a selection circuit such as a multiplexer, the circuit configuration can be simplified and the occupied area can be reduced.

制御部202は、記憶装置210を制御する機能を有する。例えば、制御部202は、ドライバ205、メインアンプ206、及び入出力回路207を制御する。 The control unit 202 has a function of controlling the storage device 210. For example, the control unit 202 controls the driver 205, the main amplifier 206, and the input / output circuit 207.

記憶装置210には、電源電位として、電位VDD、及び電位VSSが入力される。電位VDD、及び電位VSS以外の電位は、電位生成部201で生成される。電位生成部201で生成した電位は記憶装置210が有する各回路に入力される。電位VDDは、例えばトランジスタMWの駆動電位に用いることができる。なお、トランジスタMWの駆動電位を電位生成部201で生成してもよい。 The potential VDD and the potential VSS are input to the storage device 210 as the power potential. The potentials other than the potential VDD and the potential VSS are generated by the potential generation unit 201. The potential generated by the potential generation unit 201 is input to each circuit of the storage device 210. The potential VDD can be used, for example, as the drive potential of the transistor MW. The drive potential of the transistor MW may be generated by the potential generation unit 201.

電位生成部201に設けられている半導体装置10は、電位VBGを生成する機能を有する。電位VBGは、配線BGLに入力される。 The semiconductor device 10 provided in the potential generation unit 201 has a function of generating the potential VBG. The potential VBG is input to the wiring BGL.

図12(A)の例では、折り返しビット線方式のランダムアクセスメモリ(RAM)の例であるが開放ビット線方式のRAMとすることもできる。 In the example of FIG. 12A, although it is an example of a folded bit line type random access memory (RAM), it can also be an open bit line type RAM.

本実施の形態は、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。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることができるトランジスタについて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a transistor that can be used in the semiconductor device of one aspect of the present invention will be described.

<トランジスタの構造例1>
図13(A)、(B)及び(C)を用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ510Aの上面図である。図13(B)は、図13(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図13(C)は、図13(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図13(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 1>
A structural example of the transistor 510A will be described with reference to FIGS. 13A, 13B and 13C. FIG. 13A is a top view of the transistor 510A. 13 (B) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 13 (A). 13 (C) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 13 (A). In the top view of FIG. 13A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

図13(A)、(B)及び(C)では、トランジスタ510Aと、層間膜としての機能を有する絶縁体511、絶縁体512、絶縁体514、絶縁体516、絶縁体580、絶縁体582、及び絶縁体584を示している。また、トランジスタ510Aと電気的に接続し、コンタクトプラグとしての機能を有する導電体546(導電体546a、及び導電体546b)と、配線としての機能を有する導電体503と、を示している。 In FIGS. 13A, 13B and 13C, the transistor 510A and the insulator 511, the insulator 512, the insulator 514, the insulator 516, the insulator 580, the insulator 582, which have a function as an interlayer film, are shown. And insulator 584 are shown. Further, a conductor 546 (conductor 546a and a conductor 546b) that is electrically connected to the transistor 510A and has a function as a contact plug and a conductor 503 that has a function as a wiring are shown.

トランジスタ510Aは、第1のゲート電極としての機能を有する導電体560(導電体560a、及び導電体560b)と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体505(導電体505a、及び導電体505b)と、第1のゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体550と、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体521、絶縁体522、及び絶縁体524と、チャネル形成領域を有する金属酸化物530(金属酸化物530a、金属酸化物530b、及び金属酸化物530c)と、ソース又はドレインの一方としての機能を有する導電体542aと、ソース又はドレインの他方としての機能を有する導電体542bと、絶縁体574とを有する。 The conductor 510A has a conductor 560 (conductor 560a and conductor 560b) having a function as a first gate electrode and a conductor 505 (conductor 505a and a conductor) having a function as a second gate electrode. 505b), an insulator 550 having a function as a first gate insulating film, an insulator 521 having a function as a second gate insulating film, an insulator 522, and an insulator 524, and a channel forming region. A metal oxide 530 (metal oxide 530a, a metal oxide 530b, and a metal oxide 530c), a conductor 542a having a function as one of a source or a drain, and a conductor having a function as one of a source or a drain. It has 542b and an insulator 574.

また、図13に示すトランジスタ510Aでは、金属酸化物530c、絶縁体550、及び導電体560が、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して配置される。また、金属酸化物530c、絶縁体550、及び導電体560は、導電体542a、及び導電体542bとの間に配置される。 Further, in the transistor 510A shown in FIG. 13, the metal oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574. Further, the metal oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged between the conductor 542a and the conductor 542b.

絶縁体511、及び絶縁体512は、層間膜としての機能を有する。 The insulator 511 and the insulator 512 have a function as an interlayer film.

層間膜としては、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)又は(Ba,Sr)TiO(BST)等の絶縁体を単層又は積層で用いることができる。又はこれらの絶縁体に、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、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。 As the interlayer film, silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) An insulator such as TiO 3 (BST) can be used in a single layer or in a laminated manner. Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon nitride or silicon nitride may be laminated and used on the above-mentioned insulator.

例えば、絶縁体511は、水又は水素等の不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜としての機能を有することが好ましい。したがって、絶縁体511は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体511として酸化アルミニウムや窒化シリコン等を用いてもよい。当該構成により、水素、水等の不純物が絶縁体511よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。 For example, the insulator 511 preferably has a function as a barrier membrane for suppressing impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. Therefore, it is preferable to use an insulating material for the insulator 511, which has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the above oxygen is difficult to permeate). Further, for example, aluminum oxide, silicon nitride or the like may be used as the insulator 511. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 511.

例えば、絶縁体512は、絶縁体511よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 For example, the insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 511. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

導電体503は、絶縁体512に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体503の上面の高さと、絶縁体512の上面の高さは同程度にできる。なお導電体503は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体503を2層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体503は、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 503 is formed so as to be embedded in the insulator 512. Here, the height of the upper surface of the conductor 503 and the height of the upper surface of the insulator 512 can be made equal to each other. Although the conductor 503 is shown to have a single layer structure, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 503 may have a multilayer film structure having two or more layers. As the conductor 503, it is preferable to use a highly conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.

トランジスタ510Aにおいて、導電体560は、第1のゲート電極としての機能を有する場合がある。また、導電体505は、第2のゲート電極としての機能を有する場合がある。その場合、導電体505に印加する電位を、導電体560に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ510Aの閾値電圧を制御することができる。特に、導電体505に負の電位を印加することにより、トランジスタ510Aの閾値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体505に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。 In the transistor 510A, the conductor 560 may have a function as a first gate electrode. Further, the conductor 505 may have a function as a second gate electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled by changing the potential applied to the conductor 505 independently without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made larger than 0V, and the off-current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 505, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.

また、例えば、導電体505と、導電体560とを重畳して設けることで、導電体560、及び導電体505に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体505から生じる電界と、がつながり、金属酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。つまり、s-channel構造をとることができる。 Further, for example, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 505 by superimposing the conductor 505 and the conductor 560, the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 505 are generated. And can cover the channel forming region formed in the metal oxide 530. That is, it can take an s-channel structure.

絶縁体514、及び絶縁体516は、絶縁体511又は絶縁体512と同様に、層間膜としての機能を有する。例えば、絶縁体514は、水又は水素等の不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜としての機能を有することが好ましい。当該構成により、水素、水等の不純物が絶縁体514よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体516は、絶縁体514よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 The insulator 514 and the insulator 516 have a function as an interlayer film, similarly to the insulator 511 or the insulator 512. For example, the insulator 514 preferably has a function as a barrier membrane for suppressing impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 514. Further, for example, the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

第2のゲートとしての機能を有する導電体505は、絶縁体514及び絶縁体516の開口の内壁に接して導電体505aが形成され、さらに内側に導電体505bが形成されている。ここで、導電体505a及び導電体505bの上面の高さと、絶縁体516の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ510Aでは、導電体505a及び導電体505bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体505は、単層、又は3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 In the conductor 505 having a function as a second gate, the conductor 505a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 505b is further formed inside. Here, the height of the upper surface of the conductor 505a and the conductor 505b can be made the same as the height of the upper surface of the insulator 516. The transistor 510A shows a configuration in which the conductors 505a and the conductors 505b are laminated, but the present invention is not limited to this. For example, the conductor 505 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers.

ここで、導電体505aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一又は、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, as the conductor 505a, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the above oxygen is difficult to permeate). In the present specification, the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above impurities or the above oxygen.

例えば、導電体505aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体505bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。 For example, since the conductor 505a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 505b from being oxidized and the conductivity from being lowered.

また、導電体505が配線の機能を兼ねる場合、導電体505bは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体503は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体505bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 When the conductor 505 also has a wiring function, it is preferable to use a highly conductive conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component for the conductor 505b. In that case, the conductor 503 does not necessarily have to be provided. Although the conductor 505b is shown as a single layer, it may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.

絶縁体521、絶縁体522、及び絶縁体524は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 521, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a second gate insulating film.

また、絶縁体522は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体522がバリア性を有することで、トランジスタ510Aの周辺部からトランジスタ510Aへの水素等の不純物の混入を抑制する層としての機能を有する。 Further, the insulator 522 preferably has a barrier property. Since the insulator 522 has a barrier property, it has a function as a layer for suppressing the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 510A into the transistor 510A.

例えば、絶縁体521は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high-k材料の絶縁体を酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体522を得ることができる。 For example, the insulator 521 is preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon nitride nitride are suitable because they are thermally stable. Further, by combining the insulator of the high-k material with silicon oxide or silicon oxide nitride, it is possible to obtain an insulator 522 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity.

なお、図13には、第2のゲート絶縁膜として、3層の積層構造を示したが、単層、又は2層以上の積層構造としてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。 Although FIG. 13 shows a laminated structure of three layers as the second gate insulating film, it may be a single layer or a laminated structure of two or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.

チャネル形成領域としての機能を有する領域を有する金属酸化物530は、金属酸化物530aと、金属酸化物530a上の金属酸化物530bと、金属酸化物530b上の金属酸化物530cと、を有する。金属酸化物530b下に金属酸化物530aを有することで、金属酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、金属酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、金属酸化物530b上に金属酸化物530cを有することで、金属酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、金属酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。金属酸化物530として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。 The metal oxide 530 having a region having a function as a channel forming region has a metal oxide 530a, a metal oxide 530b on the metal oxide 530a, and a metal oxide 530c on the metal oxide 530b. By having the metal oxide 530a under the metal oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the metal oxide 530a to the metal oxide 530b. Further, by having the metal oxide 530c on the metal oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the structure formed above the metal oxide 530c to the metal oxide 530b. As the metal oxide 530, an oxide semiconductor which is a kind of the above-mentioned metal oxide can be used.

なお、金属酸化物530cは、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して設けられることが好ましい。絶縁体574がバリア性を有する場合、絶縁体580からの不純物が金属酸化物530へと拡散することを抑制することができる。 The metal oxide 530c is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574. When the insulator 574 has a barrier property, it is possible to prevent impurities from the insulator 580 from diffusing into the metal oxide 530.

導電体542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の機能を有する。 One of the conductors 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.

絶縁体550は、第1のゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁体550は、絶縁体580に設けられた開口部内に、金属酸化物530c、及び絶縁体574を介して設けられることが好ましい。 The insulator 550 has a function as a first gate insulating film. The insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 via the metal oxide 530c and the insulator 574.

トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体550は、第2のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体を、high-k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。 As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. In that case, the insulator 550 may have a laminated structure like the second gate insulating film. By forming an insulator that functions as a gate insulating film into a laminated structure of a high-k material and a thermally stable material, the gate potential during transistor operation is reduced while maintaining the physical film thickness. Is possible. In addition, a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.

絶縁体580と、トランジスタ510Aとの間に絶縁体574を配置する。絶縁体574は、水又は水素等の不純物、及び酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、及び水素等の不純物が金属酸化物530c、絶縁体550を介して、金属酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体580が有する過剰酸素により、導電体560が酸化するのを抑制することができる。 An insulator 574 is arranged between the insulator 580 and the transistor 510A. As the insulator 574, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen. By having the insulator 574, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 from diffusing into the metal oxide 530b via the metal oxide 530c and the insulator 550. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 due to the excess oxygen contained in the insulator 580.

絶縁体580、絶縁体582、及び絶縁体584は、層間膜としての機能を有する。 The insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 have a function as an interlayer film.

絶縁体582は、絶縁体514と同様に、水又は水素等の不純物が、外部からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜としての機能を有することが好ましい。 Like the insulator 514, the insulator 582 preferably has a function as a barrier insulating film that prevents impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the outside.

また、絶縁体580、及び絶縁体584は、絶縁体516と同様に、絶縁体582よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。 Further, it is preferable that the insulator 580 and the insulator 584 have a lower dielectric constant than the insulator 582, like the insulator 516. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.

また、トランジスタ510Aは、絶縁体580、絶縁体582、及び絶縁体584に埋め込まれた導電体546等のプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。 Further, the transistor 510A may be electrically connected to another structure via a plug or wiring such as an insulator 580, an insulator 582, and a conductor 546 embedded in the insulator 584.

また、導電体546の材料としては、導電体505と同様に、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅等の低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。 Further, as the material of the conductor 546, similarly to the conductor 505, a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as a single layer or laminated. .. For example, it is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.

例えば、導電体546としては、例えば、水素、及び酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。 For example, as the conductor 546, for example, by using a laminated structure of tantalum nitride, which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen, and tungsten having high conductivity, the conductivity as a wiring can be improved. While holding it, it is possible to suppress the diffusion of impurities from the outside.

上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。又は、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。又は、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 By having the above structure, it is possible to provide a semiconductor device having a transistor having an oxide semiconductor having a large on-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device having a transistor having an oxide semiconductor having a small off-current. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.

<トランジスタの構造例2>
図14(A)、(B)及び(C)を用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ510Bの上面図である。図14(B)は、図14(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図14(C)は、図14(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図14(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 2>
A structural example of the transistor 510B will be described with reference to FIGS. 14 (A), (B) and (C). FIG. 14A is a top view of the transistor 510B. 14 (B) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 14 (A). 14 (C) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 14 (A). In the top view of FIG. 14A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

トランジスタ510Bはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 The transistor 510B is a modification of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent the explanation from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.

トランジスタ510Bは、導電体542(導電体542a、及び導電体542b)と、金属酸化物530c、絶縁体550、及び導電体560と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。 The transistor 510B has a region in which the conductor 542 (conductor 542a and conductor 542b) and the metal oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 overlap each other. With this structure, it is possible to provide a transistor having a high on-current. Further, it is possible to provide a transistor having high controllability.

第1のゲート電極としての機能を有する導電体560は、導電体560a、及び導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、導電体505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。 The conductor 560 having a function as the first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b on the conductor 560a. As the conductor 560a, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms, similarly to the conductor 505a. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of at least one oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.).

導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。 Since the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560b and prevent the conductivity from being lowered.

また、導電体560の上面及び側面、絶縁体550の側面、及び金属酸化物530cの側面を覆うように、絶縁体574を設けることが好ましい。なお、絶縁体574は、水又は水素等の不純物、及び酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。絶縁体574を設けることで、導電体560の酸化を抑制することができる。また、絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、及び水素等の不純物がトランジスタ510Bへ拡散することを抑制することができる。 Further, it is preferable to provide the insulator 574 so as to cover the upper surface and the side surface of the conductor 560, the side surface of the insulator 550, and the side surface of the metal oxide 530c. As the insulator 574, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing impurities such as water or hydrogen and diffusion of oxygen. By providing the insulator 574, the oxidation of the conductor 560 can be suppressed. Further, by having the insulator 574, it is possible to suppress the diffusion of impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 to the transistor 510B.

また、導電体546と、絶縁体580との間に、バリア性を有する絶縁体576(絶縁体576a、及び絶縁体576b)を配置してもよい。絶縁体576を設けることで、絶縁体580の酸素が導電体546と反応し、導電体546が酸化することを抑制することができる。 Further, an insulator 576 (insulator 576a and insulator 576b) having a barrier property may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580. By providing the insulator 576, it is possible to suppress the oxygen of the insulator 580 from reacting with the conductor 546 and oxidizing the conductor 546.

また、バリア性を有する絶縁体576を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体546に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウム等の耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、又は加工がしやすい導電体を用いることができる。 Further, by providing the insulator 576 having a barrier property, it is possible to widen the range of material selection of the conductor used for the plug and the wiring. For example, by using a metal material having a property of absorbing oxygen and having high conductivity in the conductor 546, it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption. Specifically, materials such as tungsten and aluminum, which have low oxidation resistance but high conductivity, can be used. Further, for example, a conductor that is easy to form a film or process can be used.

<トランジスタの構造例3>
図15(A)、(B)及び(C)を用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図15(A)はトランジスタ510Cの上面図である。図15(B)は、図15(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図15(C)は、図15(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図15(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 3>
A structural example of the transistor 510C will be described with reference to FIGS. 15 (A), (B) and (C). FIG. 15A is a top view of the transistor 510C. 15 (B) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 15 (A). 15 (C) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 15 (A). In the top view of FIG. 15A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

トランジスタ510Cはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。 The transistor 510C is a modification of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent the explanation from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.

図15に示すトランジスタ510Cは、導電体542aと金属酸化物530bの間に導電体547aが配置され、導電体542bと金属酸化物530bの間に導電体547bが配置されている。ここで、導電体542a(導電体542b)は、導電体547a(導電体547b)の上面及び導電体560側の側面を越えて延在し、金属酸化物530bの上面に接する領域を有する。ここで、導電体547は、導電体542に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体547の膜厚は、少なくとも導電体542より厚いことが好ましい。 In the transistor 510C shown in FIG. 15, the conductor 547a is arranged between the conductor 542a and the metal oxide 530b, and the conductor 547b is arranged between the conductor 542b and the metal oxide 530b. Here, the conductor 542a (conductor 542b) extends beyond the upper surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the metal oxide 530b. Here, as the conductor 547, a conductor that can be used for the conductor 542 may be used. Further, the film thickness of the conductor 547 is preferably at least thicker than that of the conductor 542.

図15に示すトランジスタ510Cは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ510Aよりも、導電体542を導電体560に近づけることができる。又は、導電体542aの端部及び導電体542bの端部と、導電体560を重ねることができる。これにより、トランジスタ510Cの実質的なチャネル長を短くし、オン電流及び周波数特性の向上を図ることができる。 By having the above-mentioned configuration, the transistor 510C shown in FIG. 15 can bring the conductor 542 closer to the conductor 560 than the transistor 510A. Alternatively, the conductor 560 can be overlapped with the end of the conductor 542a and the end of the conductor 542b. As a result, the substantial channel length of the transistor 510C can be shortened, and the on-current and frequency characteristics can be improved.

また、導電体547a(導電体547b)は、導電体542a(導電体542b)と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体546a(導電体546b)を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体547a(導電体547b)がストッパとして機能し、金属酸化物530bがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。 Further, it is preferable that the conductor 547a (conductor 547b) is provided so as to be superimposed on the conductor 542a (conductor 542b). With such a configuration, the conductor 547a (conductor 547b) functions as a stopper and the metal oxide 530b is overetched in the etching for forming the opening for embedding the conductor 546a (conductor 546b). Can be prevented.

また、図15に示すトランジスタ510Cは、絶縁体544の上に接して絶縁体545を配置する構成にしてもよい。絶縁体544としては、水又は水素等の不純物や、過剰な酸素が、絶縁体580側からトランジスタ510Cに混入するのを抑制するバリア絶縁膜としての機能を有することが好ましい。絶縁体545としては、絶縁体544に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体544としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコン又は窒化酸化シリコン等の、窒化物絶縁体を用いてもよい。 Further, the transistor 510C shown in FIG. 15 may be configured such that the insulator 545 is arranged in contact with the insulator 544. The insulator 544 preferably has a function as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water or hydrogen and excess oxygen from being mixed into the transistor 510C from the insulator 580 side. As the insulator 545, an insulator that can be used for the insulator 544 can be used. Further, as the insulator 544, a nitride insulator such as aluminum nitride, titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride may be used.

また、図15に示すトランジスタ510Cは、図13に示すトランジスタ510Aと異なり、導電体505を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電体505の上に絶縁体516となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体505の上面が露出するまでCMP法等を用いて除去すればよい。ここで、導電体505の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体505上面の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.5nm以下、より好ましくは0.3nm以下にすればよい。これにより、導電体505の上に形成される、絶縁体の平坦性を良好にし、金属酸化物530b及び金属酸化物530cの結晶性の向上を図ることができる。 Further, unlike the transistor 510A shown in FIG. 13, the transistor 510C shown in FIG. 15 may be provided with the conductor 505 in a single layer structure. In this case, an insulating film to be an insulator 516 is formed on the patterned conductor 505, and the upper portion of the insulating film is removed by a CMP method or the like until the upper surface of the conductor 505 is exposed. good. Here, it is preferable to improve the flatness of the upper surface of the conductor 505. For example, the average surface roughness (Ra) of the upper surface of the conductor 505 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, and more preferably 0.3 nm or less. As a result, the flatness of the insulator formed on the conductor 505 can be improved, and the crystallinity of the metal oxide 530b and the metal oxide 530c can be improved.

<トランジスタの構造例4>
図16(A)、(B)及び(C)を用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図16(A)はトランジスタ510Dの上面図である。図16(B)は、図16(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図16(C)は、図16(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図16(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 4>
A structural example of the transistor 510D will be described with reference to FIGS. 16A, 16B and 16C. FIG. 16A is a top view of the transistor 510D. 16 (B) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 16 (A). 16 (C) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 16 (A). In the top view of FIG. 16A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

トランジスタ510Dは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 The transistor 510D is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the explanation from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.

図16(A)乃至(C)では、導電体503を設けずに、第2のゲートとしての機能を有する導電体505を配線としても機能させている。また、金属酸化物530c上に絶縁体550を有し、絶縁体550上に金属酸化物552を有する。また、金属酸化物552上に導電体560を有し、導電体560上に絶縁体570を有する。また、絶縁体570上に絶縁体571を有する。 In FIGS. 16A to 16C, the conductor 505 having a function as a second gate is also used as wiring without providing the conductor 503. Further, the insulator 550 is provided on the metal oxide 530c, and the metal oxide 552 is provided on the insulator 550. Further, the conductor 560 is provided on the metal oxide 552, and the insulator 570 is provided on the conductor 560. It also has an insulator 571 on the insulator 570.

金属酸化物552は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体550と、導電体560との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物552を設けることで、導電体560への酸素の拡散が抑制される。つまり、金属酸化物530へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。 The metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion. By providing the metal oxide 552 that suppresses the diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560, the diffusion of oxygen to the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the metal oxide 530. In addition, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 by oxygen.

なお、金属酸化物552は、第1のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、金属酸化物530として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物552として用いることができる。その場合、導電体560をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物552の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。 The metal oxide 552 may have a function as a part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the metal oxide 530 can be used as the metal oxide 552. In that case, by forming the conductor 560 into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide 552 can be lowered to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

また、金属酸化物552は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体550に酸化シリコンや酸化窒化シリコン等を用いる場合、金属酸化物552は、比誘電率が高いhigh-k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 Further, the metal oxide 552 may have a function as a part of the gate insulating film. Therefore, when silicon oxide, silicon nitride nitride, or the like is used for the insulator 550, it is preferable to use a metal oxide which is a high-k material having a high relative permittivity as the metal oxide 552. By adopting the laminated structure, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness. Further, it is possible to reduce the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator having a function as a gate insulating film.

トランジスタ510Dにおいて、金属酸化物552を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部としての機能を有する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する金属酸化物とを積層して設けてもよい。 In the transistor 510D, the metal oxide 552 is shown as a single layer, but a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a metal oxide having a function as a part of a gate electrode and a metal oxide having a function as a part of a gate insulating film may be laminated and provided.

金属酸化物552を有することで、ゲート電極としての機能を有する場合は、導電体560からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ510Dのオン電流の向上を図ることができる。又は、ゲート絶縁膜としての機能を有する場合は、絶縁体550と、金属酸化物552との物理的な厚みにより、導電体560と、金属酸化物530との間の距離を保つことで、導電体560と金属酸化物530との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体550、及び金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電体560と金属酸化物530との間の物理的な距離、及び導電体560から金属酸化物530へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 When the metal oxide 552 has a function as a gate electrode, the on-current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 560. Alternatively, when it has a function as a gate insulating film, it is conductive by keeping a distance between the conductor 560 and the metal oxide 530 due to the physical thickness of the insulator 550 and the metal oxide 552. The leakage current between the body 560 and the metal oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing the laminated structure with the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the metal oxide 530 and the electric field strength applied from the conductor 560 to the metal oxide 530 are provided. Can be easily and appropriately adjusted.

具体的には、金属酸化物552として、金属酸化物530に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物552として用いることができる。又は、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又は、マグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 Specifically, the metal oxide 552 can be used as the metal oxide 552 by lowering the resistance of the oxide semiconductor that can be used for the metal oxide 530. Alternatively, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used.

特に、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)等を用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物552は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, an oxide containing hafnium oxide, aluminum oxide, and an oxide containing hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing an oxide of one or both of aluminum or hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step. The metal oxide 552 is not an essential configuration. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.

絶縁体570は、水又は水素等の不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。これにより、絶縁体570よりも上方からの酸素で導電体560が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体570よりも上方からの水又は水素等の不純物が、導電体560及び絶縁体550を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 As the insulator 570, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing impurities such as water or hydrogen and oxygen permeation. For example, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, or the like. As a result, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 by oxygen from above the insulator 570. Further, it is possible to prevent impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 from being mixed into the oxide 230 via the conductor 560 and the insulator 550.

絶縁体571はハードマスクとしての機能を有する。絶縁体571を設けることで、導電体560の加工の際、導電体560の側面が概略垂直、具体的には、導電体560の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。 The insulator 571 has a function as a hard mask. By providing the insulator 571, when the conductor 560 is processed, the side surface of the conductor 560 is approximately vertical, specifically, the angle formed by the side surface of the conductor 560 and the surface of the substrate is 75 degrees or more and 100 degrees or less. It can be preferably 80 degrees or more and 95 degrees or less.

なお、絶縁体571に、水又は水素等の不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体570は設けなくともよい。 By using an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen in the insulator 571, the insulator may also function as a barrier layer. In that case, the insulator 570 does not have to be provided.

絶縁体571をハードマスクとして用いて、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、及び金属酸化物530cの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、金属酸化物530b表面の一部を露出させることができる。 By using the insulator 571 as a hard mask to selectively remove a part of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the metal oxide 530c, these aspects are substantially matched. It is possible to expose a part of the surface of the metal oxide 530b.

また、トランジスタ510Dは、露出した金属酸化物530b表面の一部に領域531a及び領域531bを有する。領域531a又は領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域としての機能を有する。 Further, the transistor 510D has a region 531a and a region 531b on a part of the surface of the exposed metal oxide 530b. One of the regions 531a and 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region.

領域531a及び領域531bの形成は、例えば、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、又はプラズマ処理等を用いて、露出した金属酸化物530b表面にリン又はボロン等の不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態等において「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。 For the formation of the region 531a and the region 531b, for example, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma implantation ion implantation method, a plasma treatment, or the like is used to introduce an impurity element such as phosphorus or boron into the surface of the exposed metal oxide 530b. It can be realized by doing. In the present embodiment and the like, the "impurity element" means an element other than the main component element.

また、金属酸化物530b表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を金属酸化物530bに拡散させて領域531a及び領域531bを形成することもできる。 Further, by exposing a part of the surface of the metal oxide 530b, a metal film is formed, and then heat treatment is performed, the elements contained in the metal film are diffused into the metal oxide 530b, and the regions 531a and 531b are diffused. Can also be formed.

金属酸化物530bの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域531a及び領域531bを「不純物領域」又は「低抵抗領域」という場合がある。 The electrical resistivity decreases in the region where the impurity element of the metal oxide 530b is introduced. Therefore, the region 531a and the region 531b may be referred to as an "impurity region" or a "low resistance region".

絶縁体571及び/又は導電体560をマスクとして用いることで、領域531a及び領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することができる。よって、領域531a及び/又は領域531bと、導電体560が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域(領域531a又は領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531a及び領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上等を実現できる。 By using the insulator 571 and / or the conductor 560 as a mask, the region 531a and the region 531b can be formed in a self-alignment manner. Therefore, the conductor 560 does not overlap with the region 531a and / or the region 531b, and the parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel forming region and the source / drain region (region 531a or region 531b). By forming the region 531a and the region 531b in a self-alignment manner, it is possible to increase the on-current, reduce the threshold voltage, improve the operating frequency, and the like.

なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体575の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体575も絶縁体571等と同様にマスクとしての機能を有する。よって、金属酸化物530bの絶縁体575と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。 In addition, in order to further reduce the off-current, an offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region. The offset region is a region having a high electrical resistivity and is a region in which the above-mentioned impurity element is not introduced. The formation of the offset region can be realized by introducing the above-mentioned impurity element after the formation of the insulator 575. In this case, the insulator 575 also has a function as a mask like the insulator 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region of the metal oxide 530b overlapping with the insulator 575, and the electrical resistivity of the region can be kept high.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、及び金属酸化物530cの側面に絶縁体575を有する。絶縁体575は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、又は樹脂等であることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体575に用いると、後の工程で絶縁体575中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体575は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。 Further, the transistor 510D has an insulator 570, a conductor 560, a metal oxide 552, an insulator 550, and an insulator 575 on the side surface of the metal oxide 530c. The insulator 575 is preferably an insulator having a low relative permittivity. For example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having holes, or a resin. It is preferable to have. In particular, it is preferable to use silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, and silicon oxide having pores in the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step. Further, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are thermally stable. Further, the insulator 575 preferably has a function of diffusing oxygen.

また、トランジスタ510Dは、絶縁体575、金属酸化物530上に絶縁体574を有する。絶縁体574は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水又は水素等の不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体574として、酸化アルミニウムを用いるとよい。 Further, the transistor 510D has an insulator 574 on the insulator 575 and the metal oxide 530. The insulator 574 is preferably formed by a sputtering method. By using the sputtering method, it is possible to form an insulator having few impurities such as water or hydrogen. For example, aluminum oxide may be used as the insulator 574.

なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体574が酸化物230及び絶縁体575から水素及び水を吸収することで、酸化物230及び絶縁体575の水素濃度を低減することができる。 The oxide film using the sputtering method may extract hydrogen from the structure to be filmed. Therefore, the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 230 and the insulator 575, so that the hydrogen concentration of the oxide 230 and the insulator 575 can be reduced.

<トランジスタの構造例5>
図17(A)乃至図17(C)を用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図17(A)はトランジスタ510Eの上面図である。図17(B)は、図17(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図17(C)は、図17(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図17(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
<Transistor structure example 5>
A structural example of the transistor 510E will be described with reference to FIGS. 17 (A) to 17 (C). FIG. 17A is a top view of the transistor 510E. 17 (B) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 17 (A). 17 (C) is a cross-sectional view of a portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 17 (A). In the top view of FIG. 17A, some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.

トランジスタ510Eは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 The transistor 510E is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the explanation from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.

図17(A)乃至図17(C)では、導電体542を設けずに、露出した金属酸化物530b表面の一部に領域531a及び領域531bを有する。領域531a又は領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域としての機能を有する。また、金属酸化物530bと、絶縁体574の間に、絶縁体573を有する。 17 (A) to 17 (C) have a region 531a and a region 531b on a part of the surface of the exposed metal oxide 530b without providing the conductor 542. One of the regions 531a and 531b functions as a source region, and the other functions as a drain region. Further, an insulator 573 is provided between the metal oxide 530b and the insulator 574.

図17に示す、領域531(領域531a、及び領域531b)は、金属酸化物530bに下記の元素が添加された領域である。領域531は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。 The region 531 (region 531a and region 531b) shown in FIG. 17 is a region in which the following elements are added to the metal oxide 530b. The region 531 can be formed by using, for example, a dummy gate.

具体的には、金属酸化物530b上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記金属酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、金属酸化物530が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域531が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法等を用いることができる。 Specifically, it is preferable to provide a dummy gate on the metal oxide 530b, use the dummy gate as a mask, and add an element that lowers the resistance of the metal oxide 530b. That is, the element is added to the region where the metal oxide 530 does not overlap with the dummy gate, and the region 531 is formed. The method for adding the element includes an ion implantation method in which ionized raw material gas is added by mass separation, an ion implantation method in which ionized raw material gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, and the like. Can be used.

なお、金属酸化物530を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、又はリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)等を用いて測定すればよい。 Typical examples of the element that lowers the resistance of the metal oxide 530 include boron and phosphorus. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, noble gas and the like may be used. Typical examples of noble gases include helium, neon, argon, krypton, xenon and the like. The concentration of the element may be measured by using a secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry) or the like.

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、又は低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。 In particular, boron and phosphorus are preferable because the equipment of the production line of amorphous silicon or low temperature polysilicon can be used. Existing equipment can be diverted and capital investment can be curtailed.

続いて、金属酸化物530b、及びダミーゲート上に、絶縁体573となる絶縁膜、及び絶縁体574となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体573となる絶縁膜、及び絶縁体574となる絶縁膜を積層して設けることで、領域531と、金属酸化物530c及び絶縁体550とが重畳する領域を設けることができる。 Subsequently, an insulating film to be an insulator 573 and an insulating film to be an insulator 574 may be formed on the metal oxide 530b and the dummy gate. By stacking and providing the insulating film to be the insulator 573 and the insulating film to be the insulator 574, it is possible to provide a region where the region 531 and the metal oxide 530c and the insulator 550 are overlapped with each other.

具体的には、絶縁体574となる絶縁膜上に絶縁体580となる絶縁膜を設けた後、絶縁体580となる絶縁膜にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことで、絶縁体580となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体573の一部も除去するとよい。従って、絶縁体580に設けられた開口部の側面には、絶縁体574、及び絶縁体573が露出し、当該開口部の底面には、金属酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に金属酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、及び導電体560となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体580が露出するまでCMP処理等により、金属酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、及び導電体560となる導電膜の一部を除去することで、図17に示すトランジスタを形成することができる。 Specifically, after the insulating film to be the insulator 580 is provided on the insulating film to be the insulator 574, the insulating film to be the insulator 580 is subjected to CMP (Chemical Mechanical Exposure) treatment to obtain the insulator 580. A part of the insulating film is removed to expose the dummy gate. Subsequently, when removing the dummy gate, it is preferable to remove a part of the insulator 573 in contact with the dummy gate. Therefore, the insulator 574 and the insulator 573 are exposed on the side surface of the opening provided in the insulator 580, and a part of the region 531 provided in the metal oxide 530b is exposed on the bottom surface of the opening. Be exposed. Next, an oxide film to be a metal oxide 530c, an insulating film to be an insulator 550, and a conductive film to be a conductor 560 are sequentially formed in the opening, and then CMP treatment or the like is performed until the insulator 580 is exposed. The transistor shown in FIG. 17 can be formed by removing a part of the oxide film which becomes the metal oxide 530c, the insulating film which becomes the insulator 550, and the conductive film which becomes the conductor 560.

なお、絶縁体573、及び絶縁体574は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。 The insulator 573 and the insulator 574 are not essential configurations. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.

図17に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体542を設けないため、コストの低減を図ることができる。 The transistor shown in FIG. 17 can be diverted from an existing device, and further, since the conductor 542 is not provided, the cost can be reduced.

本実施の形態は、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。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the configuration of the metal oxide that can be used for the OS transistor described in the above embodiment will be described.

<金属酸化物の構成>
本明細書等において、CAAC(c-axis aligned crystal)、及びCAC(Cloud-Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、又は材料の構成の一例を表す。
<Composition of metal oxide>
In the present specification and the like, it may be described as CAAC (c-axis aligned composite) and CAC (Cloud-Aligned Composite). In addition, CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a composition of a material.

CAC-OS又はCAC-metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OS又はCAC-metal oxideを、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(又はホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC-OS又はCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OS又はCAC-metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 The CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material, an insulating function in a part of the material, and a semiconductor function in the whole material. When CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel formation region of the transistor, the conductive function is the function of flowing electrons (or holes) to be carriers, and the insulating function is the carrier. It is a function that does not allow electrons to flow. By making the conductive function and the insulating function act in a complementary manner, a switching function (on / off function) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.

また、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-mentioned conductive function, and the insulating region has the above-mentioned insulating function. Further, in the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. Further, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.

また、CAC-OS又はCAC-metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 Further, in CAC-OS or CAC-metal oxide, when the conductive region and the insulating region are dispersed in the material in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less, respectively. There is.

また、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC-OS又はCAC-metal oxideをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap due to an insulating region and a component having a narrow gap due to a conductive region. In the case of this configuration, when the carrier is flown, the carrier mainly flows in the component having a narrow gap. Further, the component having a narrow gap acts complementarily to the component having a wide gap, and the carrier flows to the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or CAC-metal oxide is used in the channel forming region of the transistor, a high current driving force, that is, a large on-current and a high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.

すなわち、CAC-OS又はCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、又は金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, the CAC-OS or CAC-metal oxide can also be referred to as a matrix composite or a metal matrix composite.

<金属酸化物の構造>
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、例えば、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)及び非晶質酸化物半導体等がある。
<Structure of metal oxide>
Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. Examples of the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS (c-axis aligned crystal linear semiconductor), polycrystal oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-lik). OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductors, and the like.

トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性又は信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜又は多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜又は多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温又はレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。 As the oxide semiconductor used for the semiconductor of the transistor, it is preferable to use a thin film having high crystallinity. By using the thin film, the stability or reliability of the transistor can be improved. Examples of the thin film include a thin film of a single crystal oxide semiconductor and a thin film of a polycrystalline oxide semiconductor. However, in order to form a thin film of a single crystal oxide semiconductor or a thin film of a polycrystalline oxide semiconductor on a substrate, a high temperature or laser heating step is required. Therefore, the cost of the manufacturing process increases, and the throughput also decreases.

2009年に、CAAC構造を有するIn-Ga-Zn酸化物(CAAC-IGZOと呼ぶ)が発見されたことが、非特許文献2及び非特許文献3で報告されている。ここでは、CAAC-IGZOは、c軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、CAAC-IGZOを用いたトランジスタは、優れた電気特性及び信頼性を有することが報告されている。 It is reported in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 that an In-Ga-Zn oxide (referred to as CAAC-IGZO) having a CAAC structure was discovered in 2009. Here, it is reported that CAAC-IGZO has c-axis orientation, grain boundaries are not clearly confirmed, and can be formed on a substrate at a low temperature. Furthermore, it has been reported that transistors using CAAC-IGZO have excellent electrical characteristics and reliability.

また、2013年には、nc構造を有するIn-Ga-Zn酸化物(nc-IGZOと呼ぶ)が発見された(非特許文献4参照)。ここでは、nc-IGZOは、微小な領域(例えば、1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。 Further, in 2013, an In-Ga-Zn oxide (referred to as nc-IGZO) having an nc structure was discovered (see Non-Patent Document 4). Here, it is reported that nc-IGZO has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 3 nm or less), and no regularity in crystal orientation is observed between the different regions. There is.

非特許文献5及び非特許文献6では、上記のCAAC-IGZO、nc-IGZO、及び結晶性の低いIGZOのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いIGZOの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、1nm程度の結晶性IGZOが観察されている。よって、ここでは、IGZOにおいて、完全な非晶質構造(completely amorphous structure)の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いIGZOの薄膜と比べて、CAAC-IGZOの薄膜及びnc-IGZOの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、CAAC-IGZOの薄膜又はnc-IGZOの薄膜を用いることが好ましい。 Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6 show changes in the average crystal size of each of the above-mentioned CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO thin films having low crystallinity by irradiation with an electron beam. In a thin film of IGZO having low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm is observed even before irradiation with an electron beam. Therefore, it is reported here that the existence of a completely amorphous structure could not be confirmed in IGZO. Furthermore, it has been shown that the CAAC-IGZO thin film and the nc-IGZO thin film are more stable to electron beam irradiation than the IGZO thin film having low crystallinity. Therefore, it is preferable to use a CAAC-IGZO thin film or an nc-IGZO thin film as the semiconductor of the transistor.

CAAC-OSは、c軸配向性を有し、かつa-b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and has a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and have strain. The strain refers to a region where the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned in the region where a plurality of nanocrystals are connected.

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、及び七角形等の格子配列を有する場合がある。なお、CAAC-OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC-OSが、a-b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化すること等によって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagonal shapes and may have non-regular hexagonal shapes. Further, in the strain, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. In CAAC-OS, a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and that the bond distance between atoms changes due to the replacement of metal elements. It is thought that this is the reason.

また、CAAC-OSは、インジウム、及び酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、及び酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 Further, CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as a (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as a (In, M) layer.

CAAC-OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC-OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成等によって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥(酸素欠損等)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC-OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC-OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、CAAC-OSは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対しても安定である。したがって、OSトランジスタにCAAC-OSを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。 CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. On the other hand, in CAAC-OS, since a clear crystal grain boundary cannot be confirmed, it can be said that the decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur. Further, since the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities, the generation of defects, etc., CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. CAAC-OS is also stable against high temperatures (so-called thermal budgets) in the manufacturing process. Therefore, if CAAC-OS is used for the OS transistor, the degree of freedom in the manufacturing process can be expanded.

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

a-like OSは、nc-OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a-like OSは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、a-like OSは、nc-OS及びCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。 The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and CAAC-OS.

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一形態の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.

<酸化物半導体を有するトランジスタ>
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
<Transistor with oxide semiconductor>
Subsequently, a case where the oxide semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the oxide semiconductor as a transistor, a transistor having high field effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅1μmあたりのオフ電流がyA/μm(10-24A/μm)オーダである、ことが非特許文献7に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のCPU等が開示されている(非特許文献8参照)。 Further, the transistor using the oxide semiconductor has an extremely small leakage current in a non-conducting state, specifically, the off current per 1 μm of the channel width of the transistor is on the order of yA / μm ( 10-24 A / μm). It is shown in Non-Patent Document 7 that there is. For example, a low power consumption CPU or the like that applies the characteristic that the leakage current of a transistor using an oxide semiconductor is low is disclosed (see Non-Patent Document 8).

また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている(非特許文献9参照)。表示装置では、表示される画像が1秒間に数十回切り換っている。1秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ(IDS)駆動と呼ぶ。 Further, it has been reported that the transistor using an oxide semiconductor has a low leakage current, and that the transistor is applied to a display device (see Non-Patent Document 9). On the display device, the displayed image is switched several tens of times per second. The number of image switchings per second is called the refresh rate. Also, the refresh rate may be called the drive frequency. Such high-speed screen switching, which is difficult for the human eye to perceive, is considered to be the cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to reduce the refresh rate of the display device to reduce the number of times the image is rewritten. In addition, it is possible to reduce the power consumption of the display device by driving with a reduced refresh rate. Such a drive method is called an idling stop (IDS) drive.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が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以上とすればよい。 Further, it is preferable to use an oxide semiconductor having a low carrier density for the transistor. When the carrier density of the oxide semiconductor film is lowered, the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be lowered to lower the defect level density. In the present specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. For example, oxide semiconductors have a carrier density of 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 × 10 -9 /. It may be cm 3 or more.

また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Further, since the oxide semiconductor film having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has a low defect level density, the trap level density may also be low.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge captured at the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel forming region is formed in an oxide semiconductor having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. Further, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

<不純物>
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
<Impurities>
Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor will be described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the oxide semiconductor, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, defect levels may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, in an oxide semiconductor, when nitrogen is contained, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily formed. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable that nitrogen is reduced as much as possible in the oxide semiconductor, for example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS, preferably 5 × 10 18 Atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency. When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , and more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

CAAC構造及びnc構造の発見は、CAAC構造又はnc構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性及び信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下及びスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置及びLSIへの応用研究が進められている。 The discovery of the CAAC structure and the nc structure contributes to the improvement of the electrical characteristics and reliability of the transistor using the CAAC structure or the oxide semiconductor having the nc structure, as well as the reduction of the cost of the manufacturing process and the improvement of the throughput. Further, research on application of the transistor to a display device and an LSI utilizing the characteristic that the leakage current of the transistor is low is underway.

本実施の形態は、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。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる電子機器について説明する。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, an electronic device to which the semiconductor device of one aspect of the present invention can be applied will be described.

<電子機器・システム>
本発明の一態様の半導体装置は、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルチップ、チップ用等のモニタ、デジタルサイネージ(Digital Signage:電子看板)、パチンコ機等の大型ゲーム機等の比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、等が挙げられる。
<Electronic devices / systems>
The semiconductor device of one aspect of the present invention can be mounted on various electronic devices. Examples of electronic devices include television devices, desktop or notebook personal chips, monitors for chips, digital signage (electronic signage), large game machines such as pachinko machines, and the like, which are relatively large. In addition to electronic devices equipped with screens, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, mobile information terminals, sound reproduction devices, and the like can be mentioned.

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。 The electronic device of one aspect of the present invention may have an antenna. By receiving the signal with the antenna, the display unit can display images, information, and the like. Further, when the electronic device has an antenna and a secondary battery, the antenna may be used for non-contact power transmission.

本発明の一態様の電子機器は、センサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの)を有していてもよい。 The electronic device of one aspect of the present invention includes sensors (force, displacement, position, speed, acceleration, angular speed, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, voice, time, hardness, electric field, current, It may have a function of measuring voltage, power, radiation, current flow, humidity, gradient, vibration, odor or infrared rays).

本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像等)を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付又は時刻等を表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出す機能等を有することができる。図18に、電子機器の例を示す。 The electronic device of one aspect of the present invention can have various functions. For example, a function to display various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function to display a calendar, a date or time, a function to execute various software (programs), wireless communication. It can have a function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, and the like. FIG. 18 shows an example of an electronic device.

[携帯電話] [cell phone]

図18(A)には、情報端末の一種である携帯電話(スマートフォン)が図示されている。情報端末5500は、筐体5510と、表示部5511と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5511に備えられ、ボタンが筐体5510に備えられている。 FIG. 18A illustrates a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal. The information terminal 5500 has a housing 5510 and a display unit 5511, and as an input interface, a touch panel is provided in the display unit 5511 and a button is provided in the housing 5510.

情報端末5500に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the information terminal 5500, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

[情報端末1]
図18(B)には、デスクトップ型情報端末5300が図示されている。デスクトップ型情報端末5300は、情報端末の本体5301と、ディスプレイ5302と、キーボード5303と、を有する。
[Information terminal 1]
FIG. 18B illustrates the desktop information terminal 5300. The desktop type information terminal 5300 has a main body 5301 of the information terminal, a display 5302, and a keyboard 5303.

デスクトップ型情報端末5300に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the desktop information terminal 5300, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図18(A)、(B)に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型情報端末、ワークステーション等が挙げられる。 In the above description, smartphones and desktop information terminals are taken as examples as electronic devices, and although they are shown in FIGS. 18A and 18B, respectively, information terminals other than smartphones and desktop information terminals can be applied. can. Examples of information terminals other than smartphones and desktop information terminals include PDAs (Personal Digital Assistants), notebook information terminals, workstations, and the like.

[情報端末2]
図18(C)には、タブレット型情報端末5000が図示されている。タブレット型情報端末5000は、筐体5002と、表示部5001と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部5001に備えられ、ボタンが筐体5002に備えられている。
[Information terminal 2]
FIG. 18C shows a tablet-type information terminal 5000. The tablet-type information terminal 5000 has a housing 5002 and a display unit 5001, and as an input interface, a touch panel is provided in the display unit 5001 and a button is provided in the housing 5002.

タブレット型情報端末5000に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the tablet-type information terminal 5000, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

タブレット型情報端末5000は、コントローラ5010の中央部に保持することができる。コントローラ5010を用いることで、タブレット型情報端末5000は、タッチパネルより精密且つ高速な操作を受け付けることができる。これにより、タブレット型情報端末5000を携帯型ゲーム機として使用することができる。 The tablet-type information terminal 5000 can be held in the central portion of the controller 5010. By using the controller 5010, the tablet-type information terminal 5000 can accept more precise and high-speed operations than the touch panel. As a result, the tablet-type information terminal 5000 can be used as a portable game machine.

また、コントローラ5010は、上述のセンサの一以上を有していてもよい。また、コントローラ5010は、タブレット型情報端末5000を保持していない状態においても、有線又は無線で接続することができる。 Further, the controller 5010 may have one or more of the above-mentioned sensors. Further, the controller 5010 can be connected by wire or wirelessly even when the tablet type information terminal 5000 is not held.

また、タブレット型情報端末5000は、クレードル5020に保持することができる。クレードル5020は、タブレット型情報端末5000及びその付属品を充電する機能、タブレット型情報端末5000の出力データ(例えば、映像データ、音声データ、又はテキストデータ等)を出力する機能、入力装置(例えば、マウス、キーボード、記録メディアドライブ又はコントローラ5010等)と接続し、入力データをタブレット型情報端末5000に伝達する機能、又はタブレット型情報端末5000を有線又は無線で通信回線と電気的に接続する機能の少なくとも一を有する。 Further, the tablet type information terminal 5000 can be held in the cradle 5020. The cradle 5020 has a function of charging the tablet-type information terminal 5000 and its accessories, a function of outputting output data (for example, video data, audio data, text data, etc.) of the tablet-type information terminal 5000, and an input device (for example,). A function to connect to a mouse, keyboard, recording media drive, controller 5010, etc.) and transmit input data to the tablet-type information terminal 5000, or a function to electrically connect the tablet-type information terminal 5000 to a communication line by wire or wirelessly. Have at least one.

このようなクレードル5020を用いることで、タブレット型情報端末5000は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、又は据え置き型ゲーム機として使用することができる。 By using such a cradle 5020, the tablet-type information terminal 5000 can be used as a personal computer, a workstation, or a stationary game machine.

また、クレードル5020は、GPUチップ、メインメモリ、又はストレージ等を有していてもよい。これらを有することで、例えば、タブレット型情報端末5000から出力される映像データをアップコンバートすることができる。 Further, the cradle 5020 may have a GPU chip, main memory, storage, or the like. By having these, for example, the video data output from the tablet-type information terminal 5000 can be up-converted.

[据え置き型ゲーム機]
図18(D)は、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機5100を示している。据え置き型ゲーム機5100は、ゲーム機本体5101、無線又は有線で接続することができるコントローラ5102等を有する。
[Stationary game console]
FIG. 18D shows a stationary game machine 5100, which is an example of a game machine. The stationary game machine 5100 has a game machine main body 5101, a controller 5102 that can be connected wirelessly or by wire, and the like.

据え置き型ゲーム機5100に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the stationary game machine 5100, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

[携帯型ゲーム機]
図18(E)は、ゲーム機の一例である携帯型ゲーム機5200を示している。携帯型ゲーム機は、筐体5201、表示部5202、ボタン5203等を有する。
[Handheld game console]
FIG. 18E shows a portable game machine 5200, which is an example of a game machine. The portable game machine has a housing 5201, a display unit 5202, a button 5203, and the like.

携帯型ゲーム機5200に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the portable game machine 5200, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

上記において、ゲーム機の一例として据え置き型ゲーム機、携帯型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様の半導体装置を適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様の半導体装置を適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設(ゲームセンター、遊園地等)に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシン等が挙げられる。 In the above, a stationary game machine and a portable game machine are illustrated as an example of the game machine, but the game machine to which the semiconductor device of one aspect of the present invention is applied is not limited to this. Examples of the game machine to which the semiconductor device of one aspect of the present invention is applied include an arcade game machine installed in an entertainment facility (game center, amusement park, etc.), a throwing machine for batting practice installed in a sports facility, and the like. Can be mentioned.

[電化製品]
図19(A)は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫5800を示している。電気冷凍冷蔵庫5800は、筐体5801、冷蔵室用扉5802、冷凍室用扉5803等を有する。
[electric appliances]
FIG. 19A shows an electric freezer / refrigerator 5800, which is an example of an electric appliance. The electric freezer / refrigerator 5800 has a housing 5801, a refrigerator door 5802, a freezer door 5803, and the like.

電気冷凍冷蔵庫5800に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the electric freezer / refrigerator 5800, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、IH調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器等が挙げられる。 In this example, an electric refrigerator / freezer has been described as an electric appliance, but other electric appliances include, for example, a vacuum cleaner, a microwave oven, an microwave oven, a rice cooker, a water heater, an IH cooker, a water server, and an air conditioner. Examples include appliances, washing machines, dryers, audiovisual equipment, and the like.

[移動体]
本発明の一態様の半導体装置は、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
[Mobile]
The semiconductor device of one aspect of the present invention can be applied to an automobile which is a moving body and around the driver's seat of the automobile.

図19(B1)は移動体の一例である自動車5700を示し、図19(B2)は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図19(B1)では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。 FIG. 19 (B1) shows an automobile 5700 which is an example of a moving body, and FIG. 19 (B2) is a diagram showing the periphery of a windshield in the interior of an automobile. FIG. 19B1 illustrates the display panel 5701, the display panel 5702, the display panel 5703, and the display panel 5704 attached to the pillar, which are attached to the dashboard.

表示パネル5701乃至表示パネル5703は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定等、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウト等は、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル5701乃至表示パネル5703は、照明装置として用いることも可能である。 The display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various other information such as a speedometer, a tachometer, a mileage, a refueling amount, a gear state, and an air conditioner setting. In addition, the display items, layout, and the like displayed on the display panel can be appropriately changed according to the user's preference, and the design can be improved. The display panel 5701 to 5703 can also be used as a lighting device.

表示パネル5704には、自動車5700に設けられた撮像装置(図示しない。)からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界(死角)を補完することができる。すなわち、自動車5700の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル5704は、照明装置として用いることもできる。 The display panel 5704 can supplement the field of view (blind spot) blocked by the pillars by projecting an image from an image pickup device (not shown) provided in the automobile 5700. That is, by displaying the image from the image pickup device provided on the outside of the automobile 5700, the blind spot can be supplemented and the safety can be enhanced. In addition, by projecting an image that complements the invisible part, it is possible to confirm safety more naturally and without discomfort. The display panel 5704 can also be used as a lighting device.

自動車5700に本発明の一態様の半導体装置を適用することで、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。 By applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to the automobile 5700, it can operate at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体(ヘリコプター、無人航空機(ドローン)、飛行機、ロケット)等も挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。 In the above description, the automobile is described as an example of the moving body, but the moving body is not limited to the automobile. For example, examples of moving objects include trains, monorails, ships, flying objects (helicopters, unmanned aerial vehicles (drones), airplanes, rockets), etc., and the chip of one aspect of the present invention is applied to these moving objects. Therefore, it is possible to provide a system using artificial intelligence.

<並列計算機>
本発明の一態様の半導体装置を有する計算機を複数用いてクラスターを組むことで、並列計算機を構成することができる。当該並列計算機は、室温環境下では高速に動作し、高温環境下でも正常に動作することができる。
<Parallel computer>
A parallel computer can be configured by forming a cluster using a plurality of computers having the semiconductor device of one aspect of the present invention. The parallel computer operates at high speed in a room temperature environment and can operate normally even in a high temperature environment.

図20(A)には、大型の並列計算機5400が図示されている。並列計算機5400には、ラック5410にラックマウント型の計算機5420が複数格納されている。 FIG. 20A illustrates a large parallel computer 5400. In the parallel computer 5400, a plurality of rack-mounted computers 5420 are stored in the rack 5410.

計算機5420は、例えば、図20(B)に示す斜視図の構成とすることができる。図20(B)において、計算機5420は、マザーボード5430を有し、マザーボードは、複数のスロット5431、複数の接続端子5432、複数の接続端子5433を有する。スロット5431には、PCカード5421が挿されている。加えて、PCカード5421は、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425を有し、それぞれ、マザーボード5430に接続されている。 The computer 5420 may have, for example, the configuration of the perspective view shown in FIG. 20 (B). In FIG. 20B, the computer 5420 has a motherboard 5430, which has a plurality of slots 5431, a plurality of connection terminals 5432, and a plurality of connection terminals 5433. A PC card 5421 is inserted in the slot 5431. In addition, the PC card 5421 has a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, and a connection terminal 5425, each of which is connected to the motherboard 5430.

PCカード5421は、本発明の一態様に係る半導体装置等を備えた処理ボードである。例えば、図20(C)では、PCカード5421が、ボード5422を有し、ボード5422が、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425と、チップ5426と、チップ5427と、接続端子5428と、を有する構成を示している。なお、図20(C)には、チップ5426、及びチップ5427以外のチップを図示しているが、それらのチップについては、以下に記載するチップ5426、及びチップ5427の説明を参酌する。 The PC card 5421 is a processing board provided with a semiconductor device or the like according to one aspect of the present invention. For example, in FIG. 20C, the PC card 5421 has a board 5422, and the board 5422 has a connection terminal 5423, a connection terminal 5424, a connection terminal 5425, a chip 5426, a chip 5427, and a connection terminal 5428. The configuration having is shown. Although chips other than the chip 5426 and the chip 5427 are shown in FIG. 20 (C), the description of the chip 5426 and the chip 5427 described below will be taken into consideration for these chips.

接続端子5428は、マザーボード5430のスロット5431に挿すことができる形状を有しており、接続端子5428は、PCカード5421とマザーボード5430とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子5428の規格としては、例えば、PCIe等が挙げられる。 The connection terminal 5428 has a shape that can be inserted into the slot 5431 of the motherboard 5430, and the connection terminal 5428 functions as an interface for connecting the PC card 5421 and the motherboard 5430. Examples of the standard of the connection terminal 5428 include PCIe and the like.

接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425は、例えば、PCカード5421に対して電力供給、信号入力等を行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、PCカード5421によって計算された信号の出力等を行うためのインターフェースとすることができる。接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425のそれぞれの規格としては、例えば、USB(Universal Serial Bus)、SATA(Serial ATA)、SCSI(Small Computer System Interface)等が挙げられる。また、接続端子5423、接続端子5424、接続端子5425から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、HDMI(登録商標)等が挙げられる。 The connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 can be, for example, an interface for supplying power to the PC card 5421, inputting a signal, or the like. Further, for example, it can be an interface for outputting a signal calculated by the PC card 5421 and the like. Examples of the standards of the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425 include USB (Universal Serial Bus), SATA (Serial ATA), SCSI (Small Computer System Interface), and the like. When a video signal is output from the connection terminal 5423, the connection terminal 5424, and the connection terminal 5425, HDMI (registered trademark) and the like can be mentioned as the respective standards.

チップ5426は、信号の入出力を行う端子(図示しない。)を有しており、当該端子をPCカード5421が備えるソケット(図示しない。)に対して差し込むことで、チップ5426とPCカード5421とを電気的に接続することができる。チップ5426としては、例えば、本発明の一態様のGPUとすることができる。 The chip 5426 has a terminal (not shown) for inputting / outputting signals, and by inserting the terminal into a socket (not shown) included in the PC card 5421, the chip 5426 and the PC card 5421 can be combined. Can be electrically connected. The chip 5426 can be, for example, the GPU of one aspect of the present invention.

チップ5427は、複数の端子を有しており、当該端子をPCカード5421が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、チップ5427とPCカード5421とを電気的に接続することができる。チップ5427としては、例えば、記憶装置、FPGA(Field Programmable Gate Array)、CPU等が挙げられる。 The chip 5427 has a plurality of terminals, and the chip 5427 and the PC card 5421 are electrically connected to the wiring provided by the PC card 5421 by, for example, reflow soldering. can do. Examples of the chip 5427 include a storage device, an FPGA (Field Programmable Gate Array), a CPU, and the like.

本実施の形態は、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。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.

本実施例では、本発明の一態様の半導体装置について、シミュレーションを行った結果を説明する。 In this embodiment, the result of simulating the semiconductor device of one aspect of the present invention will be described.

図21(A)、(B)は、シミュレーションを行った半導体装置の構成を示す回路図である。図21(A)に示す構成の半導体装置は、入力端子INと、出力端子OUTaと、出力端子OUTbと、電荷転送スイッチ20と、電荷転送スイッチ30と、容量素子群50と、容量素子群60と、クロック信号生成回路11と、容量素子12aと、容量素子12bと、を有する。電荷転送スイッチ20は、トランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]を有する。電荷転送スイッチ30は、トランジスタ31[1]乃至トランジスタ31[5]を有する。容量素子群50は、容量素子51[1]乃至容量素子51[4]を有する。容量素子群60は、容量素子61[1]乃至容量素子61[4]を有する。 21 (A) and 21 (B) are circuit diagrams showing the configuration of the semiconductor device on which the simulation was performed. The semiconductor device having the configuration shown in FIG. 21 (A) includes an input terminal IN, an output terminal OUTa, an output terminal OUTb, a charge transfer switch 20, a charge transfer switch 30, a capacitive element group 50, and a capacitive element group 60. A clock signal generation circuit 11, a capacitive element 12a, and a capacitive element 12b. The charge transfer switch 20 has a transistor 21 [1] to a transistor 21 [5]. The charge transfer switch 30 has a transistor 31 [1] to a transistor 31 [5]. The capacitive element group 50 has a capacitive element 51 [1] to a capacitive element 51 [4]. The capacitive element group 60 has a capacitive element 61 [1] to a capacitive element 61 [4].

図21(A)に示す構成の半導体装置において、トランジスタ21[1]のソース、及びトランジスタ31のソースは、入力端子INと電気的に接続されている。 In the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 21A, the source of the transistor 21 [1] and the source of the transistor 31 are electrically connected to the input terminal IN.

容量素子51[1]の一方の電極は、トランジスタ21[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[2]の一方の電極は、トランジスタ21[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[3]の一方の電極は、トランジスタ21[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子51[4]の一方の電極は、トランジスタ21[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ21[5]のソースと電気的に接続されている。 One electrode of the capacitive element 51 [1] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [1] and the source of the transistor 21 [2]. One electrode of the capacitive element 51 [2] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [2] and the source of the transistor 21 [3]. One electrode of the capacitive element 51 [3] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [3] and the source of the transistor 21 [4]. One electrode of the capacitive element 51 [4] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 21 [4] and the source of the transistor 21 [5].

容量素子61[1]の一方の電極は、トランジスタ31[1]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[2]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[2]の一方の電極は、トランジスタ31[2]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[3]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[3]の一方の電極は、トランジスタ31[3]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[4]のソースと電気的に接続されている。容量素子61[4]の一方の電極は、トランジスタ31[4]のゲート及びドレイン、トランジスタ31[5]のソースと電気的に接続されている。 One electrode of the capacitive element 61 [1] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [1] and the source of the transistor 31 [2]. One electrode of the capacitive element 61 [2] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [2] and the source of the transistor 31 [3]. One electrode of the capacitive element 61 [3] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [3] and the source of the transistor 31 [4]. One electrode of the capacitive element 61 [4] is electrically connected to the gate and drain of the transistor 31 [4] and the source of the transistor 31 [5].

トランジスタ21[5]のゲート及びドレインは、出力端子OUTaと電気的に接続されている。出力端子OUTaは、容量素子12aの一方の電極と電気的に接続されている。トランジスタ31[5]のゲート及びドレインは、出力端子OUTbと電気的に接続されている。出力端子OUTbは、容量素子12bの一方の電極と電気的に接続されている。 The gate and drain of the transistor 21 [5] are electrically connected to the output terminal OUTa. The output terminal OUTa is electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 12a. The gate and drain of the transistor 31 [5] are electrically connected to the output terminal OUTb. The output terminal OUTb is electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 12b.

つまり、図21に示す構成の半導体装置は、図5(A)に示す構成の半導体装置10から、電荷転送スイッチ20の出力端子と電荷転送スイッチ30の出力端子を、電気的に接続せずに分離した構成であるということができる。また、図21(B)に示す半導体装置の構成は、図5(A)に示す半導体装置10の構成と同様である。 That is, in the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 21, the output terminal of the charge transfer switch 20 and the output terminal of the charge transfer switch 30 are not electrically connected from the semiconductor device 10 having the configuration shown in FIG. 5 (A). It can be said that it is a separate configuration. Further, the configuration of the semiconductor device shown in FIG. 21B is the same as the configuration of the semiconductor device 10 shown in FIG. 5A.

図21(A)、(B)に示す構成の半導体装置において、トランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]をSiトランジスタ、トランジスタ31[1]乃至トランジスタ31[5]をOSトランジスタとした。トランジスタ21[1]乃至トランジスタ21[5]のチャネル長は0.48μm、チャネル幅は0.36μmとし、トランジスタ31[1]乃至トランジスタ31[5]のチャネル長は0.36μm、チャネル幅は0.36μmとした。また、容量素子51[1]乃至容量素子51[4]、及び容量素子61[1]乃至容量素子61[4]の容量を1pFとし、容量素子12a及び容量素子12b、並びに容量素子12の容量を2pFとした。 In the semiconductor device having the configuration shown in FIGS. 21 (A) and 21 (B), the transistor 21 [1] to the transistor 21 [5] are designated as a Si transistor, and the transistor 31 [1] to the transistor 31 [5] are designated as an OS transistor. The channel length of the transistors 21 [1] to 21 [5] is 0.48 μm and the channel width is 0.36 μm, the channel length of the transistors 31 [1] to 31 [5] is 0.36 μm, and the channel width is 0. It was set to .36 μm. Further, the capacitance of the capacitive element 51 [1] to the capacitive element 51 [4] and the capacitive element 61 [1] to the capacitive element 61 [4] is set to 1 pF, and the capacitance of the capacitive element 12a, the capacitive element 12b, and the capacitive element 12 is set to 1 pF. Was 2 pF.

本実施例では、入力端子INに電位VSSとして接地電位を供給した際の、出力端子OUTa及び出力端子OUTb、並びに出力端子OUTの電位の経時変化をシミュレーションにより算出した。ここで、半導体装置の温度は27℃とした。図22(A)は、出力端子OUTa及び出力端子OUTbの電位の経時変化のシミュレーション結果を示す図である。図22(B)は、出力端子OUTの電位の経時変化のシミュレーション結果を示す図である。 In this embodiment, when the ground potential is supplied to the input terminal IN as the potential VSS, the changes over time of the potentials of the output terminal OUTa, the output terminal OUTb, and the output terminal OUT are calculated by simulation. Here, the temperature of the semiconductor device was set to 27 ° C. FIG. 22A is a diagram showing simulation results of changes in potentials of the output terminal OUTa and the output terminal OUTb with time. FIG. 22B is a diagram showing a simulation result of a time-dependent change in the potential of the output terminal OUT.

図22(A)に示すように、出力端子OUTaの電位は出力端子OUTbの電位より低くなることが確認された。また、図22(B)に示すように、出力端子OUTの電位は、出力端子OUTaの電位と出力端子OUTbの電位のうちの低いほうの電位である、出力端子OUTaの電位となることが確認された。 As shown in FIG. 22A, it was confirmed that the potential of the output terminal OUTa was lower than the potential of the output terminal OUTb. Further, as shown in FIG. 22B, it was confirmed that the potential of the output terminal OUT is the potential of the output terminal OUTa, which is the lower potential of the potential of the output terminal OUTa and the potential of the output terminal OUTb. Was done.

10 半導体装置
11 クロック信号生成回路
12 容量素子
12a 容量素子
12b 容量素子
20 電荷転送スイッチ
21 トランジスタ
22 トランジスタ
30 電荷転送スイッチ
31 トランジスタ
32 トランジスタ
40 容量素子群
41 容量素子
50 容量素子群
51 容量素子
60 容量素子群
61 容量素子
70 基板
71 p+領域
72a n型ウェル
72b n型ウェル
72c n型ウェル
73a n型ウェル
73b n型ウェル
74 p型ウェル
75a n+領域
75b n+領域
75c n+領域
76 p+領域
77 n+領域
78 n+領域
80 絶縁体
81 導電体
90 n型ウェル
91 n+領域
92 p+領域
93 p+領域
200 セルアレイ
201 電位生成部
202 制御部
204 センスアンプ回路
205 ドライバ
206 メインアンプ
207 入出力回路
208 周辺回路
209 メモリセル
210 記憶装置
230 酸化物
320 絶縁体
322 絶縁体
324 絶縁体
326 絶縁体
328 導電体
330 導電体
350 絶縁体
352 絶縁体
354 絶縁体
356 導電体
360 絶縁体
362 絶縁体
364 絶縁体
366 導電体
370 絶縁体
372 絶縁体
374 絶縁体
376 導電体
380 絶縁体
382 絶縁体
384 絶縁体
386 導電体
503 導電体
503a 導電体
503b 導電体
505 導電体
505a 導電体
505b 導電体
510 絶縁体
510A トランジスタ
510B トランジスタ
510C トランジスタ
510D トランジスタ
510E トランジスタ
511 絶縁体
512 絶縁体
514 絶縁体
516 絶縁体
518 導電体
520 絶縁体
521 絶縁体
522 絶縁体
524 絶縁体
530 金属酸化物
530a 金属酸化物
530b 金属酸化物
530c 金属酸化物
531 領域
531a 領域
531b 領域
541 導電体
542 導電体
542a 導電体
542b 導電体
543 領域
543a 領域
543b 領域
544 絶縁体
545 絶縁体
546 導電体
546a 導電体
546b 導電体
547 導電体
547a 導電体
547b 導電体
548 導電体
550 絶縁体
552 金属酸化物
560 導電体
560a 導電体
560b 導電体
570 絶縁体
571 絶縁体
573 絶縁体
574 絶縁体
575 絶縁体
576 絶縁体
576a 絶縁体
576b 絶縁体
580 絶縁体
581 絶縁体
582 絶縁体
584 絶縁体
586 絶縁体
610 導電体
612 導電体
614 導電体
620 導電体
622 導電体
624 導電体
626 導電体
628 導電体
650 絶縁体
5000 タブレット型情報端末
5001 表示部
5002 筐体
5010 コントローラ
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5102 コントローラ
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5803 冷凍室用扉
10 Semiconductor device 11 Clock signal generation circuit 12 Capacitive element 12a Capacitive element 12b Capacitive element 20 Charge transfer switch 21 Transistor 22 Transistor 30 Charge transfer switch 31 Transistor 32 Transistor 40 Capacitive element group 41 Capacitive element 50 Capacitive element group 51 Capacitive element 60 Capacitive element Group 61 Capacitive element 70 Substrate 71 p + Region 72an n-type well 72b n-type well 72c n-type well 73a n-type well 73b n-type well 74 p-type well 75an + region 75b n + region 75c n + region 76 p + region 77 n + region 78 n + Area 80 Insulator 81 Conductor 90 n-type well 91 n + Area 92 p + Area 93 p + Area 200 Cellular array 201 Potential generator 202 Control unit 204 Sense amplifier circuit 205 Driver 206 Main amplifier 207 Input / output circuit 208 Peripheral circuit 209 Memory cell 210 Storage Device 230 Oxide 320 Insulator 322 Insulator 324 Insulator 326 Insulator 328 Insulator 330 Conductor 350 Insulator 352 Insulator 354 Insulator 356 Insulator 360 Insulator 362 Insulator 364 Insulator 366 Insulator 376 Insulator 372 Insulator 374 Insulator 376 Conductor 380 Insulator 382 Insulator 384 Insulator 386 Conductor 503 Conductor 503a Conductor 503b Conductor 505 Conductor 505a Conductor 505b Conductor 510 Insulator 510A Transistor 510B Transistor 510C Transistor 510D Transistor 511 Insulator 512 Insulator 514 Insulator 516 Insulator 518 Conductor 520 Insulator 521 Insulator 522 Insulator 524 Insulator 530 Metal Oxide 530a Metal Oxide 530b Metal Oxide 530c Metal Oxide 531 Region 531a Region 531b Region 541 Conductor 542 Conductor 542a Conductor 542b Conductor 543 Region 543a Region 543b Region 544 Insulator 545 Insulator 546 Conductor 546a Conductor 546b Conductor 547 Conductor 547a Conductor 547b Conductor 548 Conductor 555 Metallic Oxide 560 Conductor 560a Conductor 560b Conductor 570 Insulator 571 Insulator 573 Insulator 574 Insulator 575 Insulator 576 Insulator 576a Insulator 576a Insulator 576b Insulator 580 Insulator 5 81 Insulator 582 Insulator 584 Insulator 586 Insulator 610 Conductor 612 Conductor 614 Conductor 620 Conductor 622 Conductor 624 Conductor 626 Conductor 628 Conductor 650 Insulator 5000 Tablet-type information terminal 5001 Display 5002 Housing 5010 Controller 5020 Cradle 5100 Type Game Machine 5101 Game Machine Main Body 5102 Controller 5200 Portable Game Machine 5201 Housing 5202 Display 5203 Button 5300 Desktop Information Terminal 5301 Main Body 5302 Display 5303 Keyboard 5400 Parallel Computer 5410 Rack 5420 Computer 5421 PC Card 5422 Board 5423 connection terminal 5424 connection terminal 5425 connection terminal 5426 chip 5427 chip 5428 connection terminal 5430 motherboard 5431 slot 5432 connection terminal 5433 connection terminal 5500 information terminal 5510 housing 511 display unit 5700 automobile 5701 display panel 5702 display panel 5703 display panel 5800 display panel 5800 Electric Refrigerator / Refrigerator 5801 Housing 5802 Refrigerator Door 5803 Freezer Door

Claims (4)

入力端子と、出力端子を有し、前記入力端子に入力された電位より低い電位を、前記出力端子から出力する機能を有する半導体装置であって、
前記半導体装置は、第1の電荷転送スイッチと、第2の電荷転送スイッチと、ポンピングキャパシタと、を有し、
前記第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域にシリコンを有する第1のトランジスタを複数有し、
前記第2の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する第2のトランジスタを複数有し、
前記入力端子は、前記第1の電荷転送スイッチ及び前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、
前記出力端子は、前記第1の電荷転送スイッチ及び前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、
前記ポンピングキャパシタの一方の電極は、前記第1の電荷転送スイッチ及び前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having an input terminal and an output terminal and having a function of outputting a potential lower than the potential input to the input terminal from the output terminal.
The semiconductor device includes a first charge transfer switch, a second charge transfer switch, and a pumping capacitor.
The first charge transfer switch has a plurality of first transistors having silicon in the channel forming region.
The second charge transfer switch has a plurality of second transistors having a metal oxide in the channel forming region.
The input terminal is electrically connected to the first charge transfer switch and the second charge transfer switch.
The output terminal is electrically connected to the first charge transfer switch and the second charge transfer switch.
A semiconductor device, wherein one electrode of the pumping capacitor is electrically connected to the first charge transfer switch and the second charge transfer switch.
請求項1において、
前記第2の電荷転送スイッチが有する全てのトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
A semiconductor device characterized in that all the transistors included in the second charge transfer switch have a metal oxide in a channel forming region .
入力端子と、出力端子を有し、前記入力端子に入力された電位より低い電位を、前記出力端子から出力する機能を有する半導体装置であって、
前記半導体装置は、第1の電荷転送スイッチと、第2の電荷転送スイッチと、ポンピングキャパシタと、を有し、
前記第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域にシリコンを有する第1のトランジスタを複数有し、
前記第1の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する第2のトランジスタを1個有し、
前記第2の電荷転送スイッチは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する第3のトランジスタを複数有し、
前記第2の電荷転送スイッチが有する全てのトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し
前記入力端子は、前記第1の電荷転送スイッチ及び前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、
前記出力端子は、前記第2のトランジスタの、ソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記出力端子は、前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続され、
前記ポンピングキャパシタの一方の電極は、前記第1の電荷転送スイッチ及び前記第2の電荷転送スイッチと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having an input terminal and an output terminal and having a function of outputting a potential lower than the potential input to the input terminal from the output terminal.
The semiconductor device includes a first charge transfer switch, a second charge transfer switch, and a pumping capacitor.
The first charge transfer switch has a plurality of first transistors having silicon in the channel forming region.
The first charge transfer switch has one second transistor having a metal oxide in the channel forming region.
The second charge transfer switch has a plurality of third transistors having a metal oxide in the channel forming region .
All the transistors of the second charge transfer switch have a metal oxide in the channel forming region .
The input terminal is electrically connected to the first charge transfer switch and the second charge transfer switch.
The output terminal is electrically connected to one of the source and drain of the second transistor.
The output terminal is electrically connected to the second charge transfer switch.
A semiconductor device, wherein one electrode of the pumping capacitor is electrically connected to the first charge transfer switch and the second charge transfer switch.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第1のトランジスタは、pチャネル型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
In any one of claims 1 to 3,
The first transistor is a semiconductor device characterized by being a p-channel type transistor.
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