JP7327927B2 - semiconductor equipment - Google Patents

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Description

本発明の一様態は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、照明装置または電子機器の製造方法に関する。特に、酸化物半導体を用いる半導体装置及びその作製方法に関する。 One aspect of the present invention relates to an article, method, or manufacturing method. Alternatively, the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter. One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a lighting device, or an electronic device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device using an oxide semiconductor and a manufacturing method thereof.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。 In this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and electro-optical devices, semiconductor circuits, and electronic devices are all semiconductor devices.

また、本発明の一態様は、半導体装置を用いた充電制御システム、充電制御方法、及び二次電池を有する電子機器に関する。 Another embodiment of the present invention relates to a charging control system and a charging control method using a semiconductor device, and an electronic device including a secondary battery.

なお、本明細書中において、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、リチウムイオン二次電池などの蓄電池(二次電池ともいう)、リチウムイオンキャパシタ、全固体電池、及び電気二重層キャパシタなどを含む。 Note that in this specification, a power storage device generally refers to elements and devices having a power storage function. For example, storage batteries such as lithium ion secondary batteries (also referred to as secondary batteries), lithium ion capacitors, all-solid-state batteries, electric double layer capacitors, and the like are included.

近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、モバイル機器、例えば携帯電話、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラなどに用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、その他にも、医療機器、又は、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、もしくはプラグインハイブリッド車(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車や、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両などにも用いられている。このように、リチウムイオン二次電池は、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。 In recent years, various power storage devices such as lithium-ion secondary batteries, nickel-hydrogen secondary batteries, lithium-ion capacitors, and air batteries have been actively developed. In particular, lithium-ion secondary batteries, which have high output and high energy density, are used in mobile devices such as mobile phones, smart phones, tablets, personal digital assistants such as notebook computers, portable music players, and digital cameras. In addition, lithium ion secondary batteries are also used in medical equipment, next-generation clean energy vehicles such as hybrid vehicles (HEV), electric vehicles (EV), or plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric motorcycles, It is also used in electric vehicles such as electrically assisted bicycles. As described above, the demand for lithium-ion secondary batteries has rapidly expanded in line with the development of the semiconductor industry, and they have become indispensable in the modern information society as a source of rechargeable energy.

二次電池は、使用者が使用して残量が減れば充電を行うことを繰り返し行う。充電を繰り返し行うことで二次電池は劣化し、二次電池の劣化の程度に合わせて充電条件を変えることで二次電池の寿命を長くする工夫などが行われている。二次電池は、製造直後においても個体差があり、サイクル数とともに劣化し、さらに電池の電圧、充放電電流、温度、内部抵抗などの様々なパラメータの影響を受ける。 The secondary battery is repeatedly used by the user and recharged when the remaining amount of the battery decreases. Repetitive charging causes the secondary battery to deteriorate, and efforts have been made to extend the life of the secondary battery by changing charging conditions according to the degree of deterioration of the secondary battery. Secondary batteries have individual differences even immediately after manufacture, deteriorate with the number of cycles, and are further affected by various parameters such as battery voltage, charge/discharge current, temperature, and internal resistance.

また、リチウムイオンを用いる二次電池は、劣化により内部短絡や過充電などの原因で熱暴走することが知られている。熱暴走する前に予兆となる異常を検知し、安全対策をとることが望まれている。 In addition, secondary batteries using lithium ions are known to experience thermal runaway due to internal short circuits, overcharging, and the like due to deterioration. It is desired to detect abnormalities that are signs of thermal runaway and take safety measures.

携帯情報端末や電気自動車などにおいては、複数の二次電池を直列接続または並列接続して保護回路を設け、電池パック(組電池ともよぶ)として使用される。電池パックとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数個の二次電池で構成される電池モジュールを、所定の回路と共に容器(金属缶、フィルム外装体)内部に収納したものを指す。 In personal digital assistants, electric vehicles, and the like, a plurality of secondary batteries are connected in series or in parallel to provide a protection circuit, and used as a battery pack (also called assembled battery). A battery pack refers to a battery module consisting of a plurality of secondary batteries housed inside a container (metal can, film outer packaging) together with a predetermined circuit in order to facilitate the handling of secondary batteries. .

また、組電池を構成する全ての二次電池が正常に機能していれば、問題ないが、一つでも異常になると、他の二次電池にも悪影響が及び、保護回路が機能すれば組電池は使用停止となる。 Also, if all the secondary batteries that make up the assembled battery function normally, there is no problem, but if even one malfunctions, the other secondary batteries will be adversely affected. The battery will stop working.

また、携帯情報端末においては、筐体の小型化、または薄型化が進められており、携帯情報端末の筐体は小さく、二次電池の容量は大きいことが望まれており、筐体内の空間には限りがある。 In addition, in mobile information terminals, the housing is becoming smaller and thinner, and it is desired that the housing of the mobile information terminal is small and the capacity of the secondary battery is large. is limited.

従来、二次電池の異常から、安全を確保するため、過充電や過放電を防止する保護回路がICチップとしてリジッド基板(プリント配線板)に実装されている。また、放電電流の導通や遮断を行うスイッチング回路がICチップでされ、これらの複数のICチップを組み合わせてリジッド基板に実装されている。 Conventionally, a protection circuit for preventing overcharge and overdischarge is mounted on a rigid substrate (printed wiring board) as an IC chip in order to ensure safety from abnormalities in secondary batteries. Also, a switching circuit for conducting and interrupting the discharge current is formed by an IC chip, and a plurality of these IC chips are combined and mounted on a rigid substrate.

特許文献1では、二次電池の微小短絡を検出する電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パックが示されている。 Patent Literature 1 discloses a battery state detection device that detects a micro short circuit in a secondary battery and a battery pack containing the same.

また、酸化物半導体(Oxide Semiconductor、ともいう)に関して、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛など、一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、In-Ga-Zn酸化物(IGZO、ともいう)に関する研究が盛んに行われている。 In addition, as for oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors), not only monocomponent metal oxides such as indium oxide and zinc oxide, but also multicomponent metal oxides are known. In--Ga--Zn oxides (also referred to as IGZO) have been extensively studied among multicomponent metal oxides.

IGZOに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、CAAC(c-axis aligned crystalline)構造、および、nc(nanocrystalline)構造が見出された(非特許文献1乃至非特許文献3、参照)。 Research on IGZO has found a CAAC (c-axis aligned crystalline) structure and an nc (nanocrystalline) structure, which are neither single crystal nor amorphous, in oxide semiconductors (Non-Patent Documents 1 to 3). 3, see).

非特許文献1および非特許文献2では、CAAC構造を有する酸化物半導体を用いて、トランジスタを作製する技術が開示されている。さらに、CAAC構造およびnc構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献4および非特許文献5に示されている。 Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure. Furthermore, Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 show that even an oxide semiconductor having a crystallinity lower than that of the CAAC structure and the nc structure has minute crystals.

非特許文献6では、酸化物半導体を用いたトランジスタの、オフ電流が非常に小さいことが報告され、非特許文献7および非特許文献8では、オフ電流が非常に小さい性質を利用した、LSI(Large Scale Integration)およびディスプレイが報告されている。 Non-Patent Document 6 reports that a transistor using an oxide semiconductor has a very small off-state current, and Non-Patent Documents 7 and 8 report an LSI ( Large Scale Integration) and displays have been reported.

特開2010-66161号JP 2010-66161

S.Yamazaki et al.,“SID Symposium Digest of Technical Papers”,2012,volume 43,issue 1,p.183-186S. Yamazaki et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2012, volume 43, issue 1, p. 183-186 S.Yamazaki et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2014,volume 53,Number 4S,p.04ED18-1-04ED18-10S. Yamazaki et al. , "Japanese Journal of Applied Physics", 2014, volume 53, Number 4S, p. 04ED18-1-04ED18-10 S.Ito et al.,“The Proceedings of AM-FPD’13 Digest of Technical Papers”,2013,p.151-154S. Ito et al. , "The Proceedings of AM-FPD'13 Digest of Technical Papers", 2013, p. 151-154 S.Yamazaki et al.,“ECS Journal of Solid State Science and Technology”,2014,volume 3,issue 9,p.Q3012-Q3022S. Yamazaki et al. , "ECS Journal of Solid State Science and Technology", 2014, volume 3, issue 9, p. Q3012-Q3022 S.Yamazaki,“ECS Transactions”,2014,volume 64,issue 10,p.155-164S. Yamazaki, "ECS Transactions", 2014, volume 64, issue 10, p. 155-164 K.Kato et al.,“Japanese Journal of Applied Physics”,2012,volume 51,p.021201-1-021201-7K. Kato et al. , "Japanese Journal of Applied Physics", 2012, volume 51, p. 021201-1-021201-7 S.Matsuda et al.,“2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers”,2015,p.T216-T217S. Matsuda et al. , "2015 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers", 2015, p. T216-T217 S.Amano et al.,“SID Symposium Digest of Technical Papers”,2010,volume 41,issue 1,p.626-629S. Amano et al. , "SID Symposium Digest of Technical Papers", 2010, volume 41, issue 1, p. 626-629

二次電池の異常を検知し、例えば二次電池の安全性を低下させる現象を早期に検知し、使用者に警告、または二次電池の使用を停止することにより、安全性を確保することを課題の一つとしている。 To ensure safety by detecting abnormalities in secondary batteries, for example, early detection of phenomena that reduce the safety of secondary batteries, warning the user, or stopping the use of secondary batteries. This is one of the issues.

また、二次電池の駆動を安全に制御する回路を搭載しつつ、筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現することも課題の一つとしている。 Another issue is to realize a configuration that can cope with space saving due to the miniaturization of the housing while mounting a circuit that safely controls the drive of the secondary battery.

上記課題を解決するため、可撓性基板上に充電制御回路を設け、二次電池外表面に貼り付ける。二次電池が有する2端子のうち、少なくとも一方と充電制御回路は電気的に接続し、充電制御を行う。 In order to solve the above problems, a charge control circuit is provided on a flexible substrate and attached to the outer surface of the secondary battery. At least one of the two terminals of the secondary battery is electrically connected to the charge control circuit to control charging.

本明細書で開示する発明の構成の一つは、上面、底面、及び側面を有する二次電池を有する半導体装置であって、二次電池の側面に可撓性基板を介して充電制御回路を有し、充電制御回路は、酸化物半導体を有するトランジスタを含み、二次電池の上面の第1の端子と、充電制御回路とが電気的に接続され、二次電池の底面の第2の端子と、充電制御回路とが電気的に接続されている半導体装置である。 One of the structures of the invention disclosed in this specification is a semiconductor device having a secondary battery having a top surface, a bottom surface, and side surfaces, and a charge control circuit is provided on the side surface of the secondary battery via a flexible substrate. the charge control circuit includes a transistor including an oxide semiconductor, the charge control circuit is electrically connected to a first terminal on the top surface of the secondary battery, and the second terminal on the bottom surface of the secondary battery and a charge control circuit are electrically connected to each other.

消費電力を小さくすることができるため、上記充電制御回路は酸化物半導体を用いるトランジスタを用いることが好ましい。半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタは、オフ状態でのリーク電流が非常に小さい。酸化物半導体を用いるトランジスタは、チャネル幅で規格化されたオフ電流を数yA(ヨクトアンペア)/μm以上数zA(ゼプトアンペア)/μm以下程度に低くすることができる。 A transistor including an oxide semiconductor is preferably used for the charge control circuit because power consumption can be reduced. A transistor including an oxide semiconductor for a semiconductor layer has very low leakage current in an off state. In a transistor using an oxide semiconductor, the off-state current normalized by the channel width can be reduced to approximately several yA (yoctoampere)/μm or more and several zA (zeptoampere)/μm or less.

また、高温環境下で使用可能であるため、充電制御回路は酸化物半導体を用いるトランジスタを用いることが好ましい。プロセスを簡略なものとするため、充電制御回路は単極性のトランジスタを用いて形成してもよい。半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタは、動作周囲温度が単結晶Siよりも広く-40℃以上150℃以下であり、二次電池が加熱しても特性変化が単結晶に比べて小さい。酸化物半導体を用いるトランジスタのオフ電流は、150℃であっても温度によらず測定下限以下であるが、単結晶Siトランジスタのオフ電流特性は、温度依存性が大きい。例えば、150℃では、単結晶Siトランジスタはオフ電流が上昇し、電流オン/オフ比が十分に大きくならない。 Further, since the charge control circuit can be used in a high-temperature environment, it is preferable to use a transistor using an oxide semiconductor. To simplify the process, the charging control circuit may be formed using unipolar transistors. A transistor using an oxide semiconductor for a semiconductor layer has a wider operating ambient temperature of −40° C. or more and 150° C. or less than single crystal Si, and changes in characteristics are smaller than those of single crystal even when the secondary battery is heated. The off-state current of a transistor using an oxide semiconductor is below the lower limit of measurement regardless of the temperature even at 150° C. However, the off-state current characteristics of a single crystal Si transistor are highly dependent on temperature. For example, at 150° C., a single crystal Si transistor has an increased off current and does not have a sufficiently large current on/off ratio.

酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリ回路を有する充電制御回路、又は電池制御システムを、BTOS(Battery operating system、又はBattery oxide semiconductor)と呼称する場合がある。 A charge control circuit or a battery control system including a memory circuit including a transistor using an oxide semiconductor is sometimes referred to as a BTOS (battery operating system or battery oxide semiconductor).

円筒形二次電池の場合、可撓性基板を曲げて、二次電池の側面の曲面に巻きつけるように設置することもできる。 In the case of a cylindrical secondary battery, the flexible substrate can be bent and installed so as to be wound around the curved side surface of the secondary battery.

また、同一の可撓性基板上に保護回路、遮断用スイッチ、及び上記充電制御回路を設けることによって筐体の小型化に伴う省スペース化に対応できる構成を実現する。 In addition, by providing the protection circuit, the cutoff switch, and the charge control circuit on the same flexible substrate, a configuration that can cope with the space saving associated with the miniaturization of the housing is realized.

可撓性基板は、有機樹脂フィルム、金属フィルムを用いることができる。有機樹脂フィルムの材料としては、例えば、PET、PEN等のポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、PC樹脂、PES樹脂、ポリアミド樹脂(ナイロン、アラミド等)、ポリシロキサン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、PTFE樹脂、ABS樹脂等が挙げられる。 An organic resin film or a metal film can be used for the flexible substrate. Examples of materials for the organic resin film include polyester resins such as PET and PEN, polyacrylonitrile resins, acrylic resins, polyimide resins, polymethyl methacrylate resins, PC resins, PES resins, polyamide resins (nylon, aramid, etc.), and polysiloxanes. resins, cycloolefin resins, polystyrene resins, polyamideimide resins, polyurethane resins, polyvinyl chloride resins, polyvinylidene chloride resins, polypropylene resins, PTFE resins, ABS resins, and the like.

なお、金属フィルムとしてはステンレス、アルミニウムなどを用いることができる。 Note that stainless steel, aluminum, or the like can be used as the metal film.

充電制御回路を可撓性基板上に形成する作製方法は、半導体基板上に形成した後、剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板上に固定する方法を用いる。剥離方法においては、公知の技術を用いることができる。また、半導体基板上に形成した後、裏面を研磨した後、可撓性基板上に固定する方法でもよい。また、レーザー光を用いて部分的に切り取った、所謂レーザーカット後、可撓性基板上に固定する方法でもよい。また、直接、充電制御回路を可撓性基板上に形成する方法でもよい。また、ガラス基板上に形成した充電制御回路を剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板上に固定する方法を用いる。 As a manufacturing method for forming the charge control circuit over the flexible substrate, a method of forming the charge control circuit over the semiconductor substrate and then fixing it onto the flexible substrate after peeling using a peeling method is used. A known technique can be used for the peeling method. Moreover, after forming on a semiconductor substrate, after polishing a back surface, the method of fixing on a flexible substrate may be used. Alternatively, a method of partially cutting using a laser beam, that is, so-called laser cutting, and then fixing onto a flexible substrate may be used. Alternatively, a method of directly forming a charge control circuit on a flexible substrate may be used. In addition, a method is used in which the charge control circuit formed over the glass substrate is fixed on the flexible substrate after peeling using a peeling method.

本明細書において充電制御回路とは、充電電圧及び充電電流量の制御、劣化の度合いに応じた充電電流量制御、マイクロショート検知のいずれか一または全てを実行する回路を指している。 In this specification, the charging control circuit refers to a circuit that executes any one or all of control of charging voltage and amount of charging current, control of amount of charging current according to the degree of deterioration, and detection of micro-shorts.

マイクロショートとは、二次電池の内部の微小な短絡のことを指しており、二次電池の正極と負極が短絡して充放電不可能の状態になるというほどではなく、微小な短絡部でわずかに短絡電流が流れてしまう現象を指している。比較的短時間、且つ、わずかな箇所であっても大きな電圧変化が生じるため、その異常な電圧値がその後の推定に影響を与える恐れがある。 A micro-short refers to a minute short circuit inside a secondary battery, and it does not mean that the positive electrode and negative electrode of the secondary battery are short-circuited and cannot be charged or discharged. It refers to a phenomenon in which a slight short-circuit current flows. Since a large voltage change occurs in a relatively short time and even at a small location, the abnormal voltage value may affect subsequent estimation.

マイクロショートの原因の一つは、充放電が複数回行われることによって、正極活物質の不均一な分布により、正極の一部と負極の一部で局所的な電流の集中が生じ、セパレータの一部が機能しなくなる箇所が発生、または副反応による副反応物の発生によりミクロな短絡が生じていると言われている。 One of the causes of micro-shorts is that the non-uniform distribution of the positive electrode active material caused by repeated charging and discharging causes localized concentration of current in a portion of the positive electrode and a portion of the negative electrode, resulting in a separator failure. It is said that a micro short-circuit occurs due to the generation of a portion where a part fails or the generation of a side reaction product due to a side reaction.

また、マイクロショートの検知だけでなく、充電制御回路は、二次電池の端子電圧を検知し、二次電池の充放電状態を管理するとも言える。 Further, it can be said that the charge control circuit detects not only the micro-short circuit but also the terminal voltage of the secondary battery and manages the charging/discharging state of the secondary battery.

本明細書で開示する他の発明の構成の一つは、二次電池と、二次電池の第1の端子に接続され、二次電池から出力される電力を伝送する第1の伝送路と、第1の伝送路に接続され、二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、充電制御回路と二次電池の第2の端子とを接続する第2の伝送路と、第2の伝送路を遮断するスイッチとを有し、スイッチは、二次電池への過充電時または過放電時に第2の伝送路を遮断し、二次電池の充電中に充電制御回路により異常と判定された場合に第2の伝送路を遮断して充電を停止する充電制御システムである。 One of the configurations of the other invention disclosed in this specification includes a secondary battery, and a first transmission line connected to a first terminal of the secondary battery and transmitting power output from the secondary battery. , a charging control circuit connected to the first transmission path and provided on the flexible substrate in contact with the side surface of the secondary battery; and a second terminal connecting the charging control circuit and the second terminal of the secondary battery. and a switch that cuts off the second transmission line, the switch cuts off the second transmission line when the secondary battery is overcharged or overdischarged, and cuts off the second transmission line during charging of the secondary battery This charging control system cuts off a second transmission line to stop charging when the charging control circuit determines that there is an abnormality.

第2の伝送路を遮断するスイッチは、導通および遮断動作を制御するためのスイッチであり、保護回路とも言える。また、このスイッチはダイオードと組み合わせることで保護回路を構成することもある。このような保護回路と、上述した充電制御回路とで二重に保護しているともいえ、安全性の高い充電制御システムと言える。 The switch that cuts off the second transmission line is a switch for controlling conduction and cutoff operations, and can also be called a protection circuit. Also, this switch may be combined with a diode to form a protection circuit. It can be said that such a protection circuit and the above-described charging control circuit provide double protection, so that the charging control system can be said to be highly safe.

本明細書において、保護回路とは、過充電の防止、過電流の防止、または過放電の防止のいずれか一または全てを実行する回路を指している。また、充電を遮断するための遮断スイッチを保護回路に含める場合もある。 In this specification, a protection circuit refers to a circuit that implements any one or all of overcharge prevention, overcurrent prevention, and overdischarge prevention. In some cases, the protection circuit includes a cutoff switch for cutting off charging.

上述した充電制御回路を設けた可撓性基板は、電池に限らず、カード型電子マネー、RFIDタグなどに組み込むことも可能である。 The flexible substrate provided with the charging control circuit described above can be incorporated not only in batteries but also in card-type electronic money, RFID tags, and the like.

二次電池の側面に設けられた1つのフレキシブル状のシートに保護回路、充電制御回路、及び異常検知回路を設けることによって、これらをICチップとして複数実装していたプリント基板が不要になり、機能を減らすことなく小型化したデバイスを実現できる。 By providing the protection circuit, charging control circuit, and abnormality detection circuit on a single flexible sheet provided on the side of the secondary battery, the printed circuit board that mounted multiple of these as IC chips becomes unnecessary, and the function is improved. A miniaturized device can be realized without reducing the

本発明の一態様を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一態様を示すブロック図の一例である。1 is an example of a block diagram illustrating one aspect of the present invention; FIG. 本発明の一態様を示す斜視図及び概念図である。1A and 1B are a perspective view and a conceptual diagram illustrating one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一態様を示すフローチャートの一例である。1 is an example of a flowchart illustrating an aspect of the present invention; 本発明の一態様を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一態様を示す斜視図である。It is a perspective view showing one mode of the present invention. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device; (A、B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。(A, B, C) Cross-sectional views showing structural examples of transistors. (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B、C)トランジスタの構造例を示す断面図。1A is a top view showing a structure example of a transistor, and 1B and 1C are cross-sectional views showing a structure example of a transistor; (A)トランジスタの構造例を示す上面図、(B)トランジスタの構造例を示す斜視図。1A is a top view illustrating a structural example of a transistor, and FIG. 1B is a perspective view illustrating a structural example of a transistor; (A、B)トランジスタの構造例を示す断面図。4A and 4B are cross-sectional views showing structural examples of transistors; 電子機器の一例を示す図。1A and 1B are diagrams each illustrating an example of an electronic device;

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. However, those skilled in the art will easily understand that the present invention is not limited to the following description, and that the forms and details thereof can be variously changed. Moreover, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments shown below.

(実施の形態1)
図1(A)は、フレキシブルなフィルムである可撓性基板11上に形成された充電制御回路10を円筒形二次電池15に実装させた充電制御システムの概念図である。充電制御システムは、円筒形二次電池15と、充電制御回路10と、スイッチとを少なくとも有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a conceptual diagram of a charge control system in which a charge control circuit 10 formed on a flexible substrate 11, which is a flexible film, is mounted on a cylindrical secondary battery 15. FIG. The charge control system has at least a cylindrical secondary battery 15, a charge control circuit 10, and a switch.

円筒形二次電池15は、上面に第1の端子12を有し、底面に第2の端子13を有している。円筒形二次電池の第1の端子12に接続され、円筒形二次電池15から出力される電力を伝送する第1の伝送路は、電極18を介して充電制御回路の端子と電気的に接続される。また、円筒形二次電池の第2の端子13に接続されている第2の伝送路は、電極19を介して第2の伝送路を遮断するスイッチと接続されている。 Cylindrical secondary battery 15 has first terminal 12 on the top surface and second terminal 13 on the bottom surface. A first transmission path, which is connected to the first terminal 12 of the cylindrical secondary battery and transmits power output from the cylindrical secondary battery 15, is electrically connected to the terminal of the charging control circuit via the electrode 18. Connected. Also, the second transmission line connected to the second terminal 13 of the cylindrical secondary battery is connected via the electrode 19 to a switch that cuts off the second transmission line.

図1(A)では、第2の伝送路を遮断するスイッチ(遮断用スイッチとも呼ぶ)が2個設けられており、ダイオードもそれぞれ接続されており、過放電、過充電、または過電流を防止するための保護回路として機能している。スイッチは、導通および遮断動作を制御しており、供給及び遮断を切り替える切替手段とも呼べる。可撓性基板11上に形成された第2の伝送路のもう一方の端子である第3の端子14は、充電器16やモバイル機器17に接続されている。 In FIG. 1A, two switches (also called cutoff switches) are provided to cut off the second transmission line, and diodes are also connected to prevent overdischarge, overcharge, or overcurrent. It functions as a protection circuit for The switch controls conduction and interruption operations, and can also be called switching means for switching between supply and interruption. A third terminal 14 , which is the other terminal of the second transmission line formed on the flexible substrate 11 , is connected to a charger 16 and a mobile device 17 .

充電制御回路10を可撓性基板11上に形成する作製方法は、半導体基板上に形成した後、剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板11上に固定する方法を用いる。剥離方法においては、公知の技術を用いることができる。また、半導体基板上に形成した後、裏面を研磨した後、可撓性基板11上に固定する方法でもよい。また、レーザー光を用いて部分的に切り取った、所謂レーザーカット後、可撓性基板11上に固定する方法でもよい。また、直接、充電制御回路10を可撓性基板11上に形成する方法でもよい。また、ガラス基板上に形成した充電制御回路10を剥離方法を用いて剥離後に可撓性基板11上に固定する方法を用いる。 A manufacturing method for forming the charge control circuit 10 on the flexible substrate 11 uses a method of forming it on a semiconductor substrate and then fixing it onto the flexible substrate 11 after peeling using a peeling method. A known technique can be used for the peeling method. Moreover, after forming on a semiconductor substrate, the back surface may be polished and then fixed on the flexible substrate 11 . Alternatively, a method of partially cutting using a laser beam, that is, fixing onto the flexible substrate 11 after so-called laser cutting may be used. Alternatively, a method of forming the charging control circuit 10 directly on the flexible substrate 11 may be used. Also, a method is used in which the charge control circuit 10 formed on the glass substrate is fixed on the flexible substrate 11 after being peeled off using a peeling method.

本実施の形態では、これらのダイオードやスイッチも可撓性基板11上に形成または実装させる例を示しているが、特にこの構成に限定されない。 This embodiment shows an example in which these diodes and switches are also formed or mounted on the flexible substrate 11, but the configuration is not particularly limited to this.

充電制御回路10でマイクロショートなどの異常を検知した場合には、第2の伝送路を遮断するスイッチのゲートに信号を入力することで第2の伝送路を遮断することができる。第2の伝送路を遮断すれば、充電器16からの電流の供給の停止、またはモバイル機器17への電流の供給の停止を行うことができる。また、第2の伝送路を遮断するスイッチのゲートへ印加する信号電圧をメモリ回路(酸化物半導体を用いたトランジスタを含む)で保持することで、遮断を長時間維持することができる。従って、安全性の高い充電制御システムとすることができる。 When the charging control circuit 10 detects an abnormality such as a micro-short, the second transmission line can be cut off by inputting a signal to the gate of the switch that cuts off the second transmission line. By interrupting the second transmission line, the current supply from the charger 16 or the current supply to the mobile device 17 can be stopped. Further, by holding the signal voltage applied to the gate of the switch that cuts off the second transmission line in the memory circuit (including a transistor including an oxide semiconductor), cutoff can be maintained for a long time. Therefore, a highly safe charging control system can be provided.

また、図1(B)は、円筒形二次電池15と、可撓性基板11とを貼り合わせる直前の様子を示す工程図であり、可撓性基板11の接触面側を示している。図1(B)に示すように可撓性基板11の接触面に円筒形二次電池15の胴部をあてがって転動させ、胴部の円周方向に可撓性基板11を巻き付け貼着する。また、可撓性基板11にはY方向に電極18と電極19を並べた配置としているが特に限定されず、一方がX方向にずれていてもよい。なお、動転後の図が図1(C)である。 FIG. 1B is a process diagram showing a state immediately before bonding the cylindrical secondary battery 15 and the flexible substrate 11 together, and shows the contact surface side of the flexible substrate 11 . As shown in FIG. 1(B), the body of the cylindrical secondary battery 15 is applied to the contact surface of the flexible substrate 11 and rolled, and the flexible substrate 11 is wrapped around the body in the circumferential direction and adhered. do. Moreover, although the electrodes 18 and 19 are arranged in the Y direction on the flexible substrate 11, the arrangement is not particularly limited, and one of the electrodes may be shifted in the X direction. FIG. 1(C) is a diagram after the upheaval.

円筒形二次電池15の胴部外周面を覆うように外装フィルムが装着されている。この外装フィルムは、二次電池内部の構造を封止するための金属缶を保護し、金属缶と絶縁性を図るために用いられる。 An exterior film is attached so as to cover the outer peripheral surface of the body of the cylindrical secondary battery 15 . This exterior film is used to protect the metal can for sealing the internal structure of the secondary battery and to provide insulation from the metal can.

外装フィルム使用せずに、円筒形二次電池15の外表面(端子部分を除く)が金属面である場合には、電極18との間、電極19との間に絶縁シートを間に挟むことが好ましい。電極18、または電極19は、導電性金属箔や、導電材料からなる導電性テープや、リード線であり、円筒形二次電池15の端子とは、半田付けや、ワイヤボンディング法などの公知の方法により接続する。また、電極18、または電極19は、充電制御回路の端子と半田付けや、ワイヤボンディング法により接続する。 If the outer surface of the cylindrical secondary battery 15 (excluding the terminal portion) is a metal surface without using an outer film, insert an insulating sheet between the electrode 18 and the electrode 19. is preferred. The electrodes 18 and 19 are conductive metal foils, conductive tapes made of conductive materials, and lead wires. Connect by method. Electrode 18 or electrode 19 is connected to a terminal of the charge control circuit by soldering or wire bonding.

また、充電制御回路10の具体的な回路のブロック図の一例を図2(A)に示す。 An example of a block diagram of a specific circuit of the charging control circuit 10 is shown in FIG.

図2(A)に示すように二次電池101の充電制御回路10は、比較回路102と、第1のメモリ103と、第2のメモリ104と、制御回路106を少なくとも備える。 As shown in FIG. 2A, the charge control circuit 10 for the secondary battery 101 includes at least a comparison circuit 102, a first memory 103, a second memory 104, and a control circuit .

図1(A)では二次電池15及び遮断用スイッチ105を充電制御回路10と分けて示しているが、同一基板上に遮断用スイッチ105と充電制御回路10を形成することもできる。 Although the secondary battery 15 and the cutoff switch 105 are shown separately from the charge control circuit 10 in FIG. 1A, the cutoff switch 105 and the charge control circuit 10 can be formed over the same substrate.

比較回路102は、2つの入力電圧の大小関係を比較し、出力する。比較回路102は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタを用いて単極性回路を用いることもできる。 The comparison circuit 102 compares the magnitude relationship between the two input voltages and outputs the result. The comparison circuit 102 can also be a unipolar circuit using a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region.

第1のメモリ103は、アナログメモリであり、オフセットされた二次電池のアナログ電位を保存する。オフセットされた二次電池の電圧値のデータ作成は、第1のメモリ103のトランジスタのゲートに書き込み信号を印加することでゲート電極とドレイン電極間の寄生容量により作成することができる。第1のメモリ103は酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ1つと容量とで構成される。第1のメモリ103は、高精度な充電電圧モニター回路とも呼べる。また、第1のメモリ103は、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタの低リーク電流であることのメリットを生かすことができる。 The first memory 103 is an analog memory and stores the offset analog potential of the secondary battery. Data of the offset voltage value of the secondary battery can be created by applying a write signal to the gate of the transistor of the first memory 103 and using the parasitic capacitance between the gate electrode and the drain electrode. The first memory 103 includes one transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region and a capacitor. The first memory 103 can also be called a highly accurate charging voltage monitor circuit. In addition, the first memory 103 can take advantage of low leakage current of a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region.

第2のメモリ104は、第1のメモリ103と同じ素子構成であり、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ1つと容量とで構成される。第2のメモリ104は、遮断用スイッチ105のデータ保持を行う。 The second memory 104 has the same element structure as the first memory 103 and includes one transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region and a capacitor. The second memory 104 holds the data of the cutoff switch 105 .

遮断用スイッチ105は、異常が発生した二次電池の電源への電力供給を遮断するためのスイッチである。遮断用スイッチ105は、図2(A)に示す回路構成とすることで、異常が発生した二次電池15を継続して充電してしまい、過充電により発火することを防ぐことができる。 The cutoff switch 105 is a switch for cutting off power supply to the power supply of the secondary battery in which an abnormality has occurred. The cut-off switch 105 has the circuit configuration shown in FIG. 2A, so that the secondary battery 15 in which an abnormality occurs can be prevented from being continuously charged and ignited due to overcharging.

図2(A)では、遮断用スイッチ105を用いて異常検出後に二次電池への電力供給をストップする例を示しているが、異常検出の回数に合わせて充電条件の変更や充電の一時停止や警告表示などを行ってもよい。 FIG. 2A shows an example of stopping power supply to the secondary battery after an abnormality is detected using the cutoff switch 105. Charging conditions are changed or charging is temporarily stopped according to the number of times an abnormality is detected. or warning display.

また、図2(A)に示す第1のメモリ103、および第2のメモリ104に用いることのできるメモリセルを図2(B)に示す。図2(B)はトランジスタにバックゲートを有する場合のメモリセル100の回路構成例である。 FIG. 2B shows memory cells that can be used for the first memory 103 and the second memory 104 shown in FIG. 2A. FIG. 2B is a circuit configuration example of the memory cell 100 in which a transistor has a back gate.

メモリセル100は、トランジスタM1と、容量素子CAと、を有する。なお、トランジスタM1は、フロントゲート(単に「ゲート」ともいう。)、およびバックゲートを有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。なお、ゲートおよびバックゲートの呼称は便宜的なものであり、一方を「ゲート」という場合に他方を「バックゲート」という。よって、ゲートおよびバックゲートの呼称は、互いに入れ換えて用いることができる。ゲートまたはバックゲートの一方を「第1のゲート」と呼び、他方を「第2のゲート」と呼ぶ場合もある。 The memory cell 100 has a transistor M1 and a capacitor CA. Note that the transistor M1 has a front gate (also simply referred to as a "gate") and a back gate. The back gate is arranged so as to sandwich the channel forming region of the semiconductor layer between the gate and the back gate. Note that the terms gate and backgate are used for convenience, and when one is referred to as a "gate", the other is referred to as a "backgate". Therefore, the terms gate and backgate can be used interchangeably. One of the gate and the back gate may be called "first gate" and the other may be called "second gate".

トランジスタM1のソースまたはドレインの一方は、容量素子CAの一方の電極と電気的に接続され、トランジスタM1のソースまたはドレインの他方は、ビット線BLまたはビット線BLBの一方と電気的に接続され、トランジスタM1のゲートは、ワード線WLaまたはワード線WLbの一方と電気的に接続され、トランジスタM1のバックゲートは、配線BGLと電気的に接続されている。容量素子CAの他方の電極は、配線CALと接続されている。 one of the source and the drain of the transistor M1 is electrically connected to one electrode of the capacitor CA, the other of the source and the drain of the transistor M1 is electrically connected to one of the bit line BL and the bit line BLB; A gate of the transistor M1 is electrically connected to one of the word line WLa or the word line WLb, and a back gate of the transistor M1 is electrically connected to the wiring BGL. The other electrode of the capacitor CA is connected to the wiring CAL.

配線CALは、容量素子CAの他方の電極に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、および読み出し時において、配線CALには、VSSなどの固定電位を供給するのが好ましい。 The wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the other electrode of the capacitor CA. A fixed potential such as VSS is preferably supplied to the wiring CAL when data is written and read.

配線BGLは、トランジスタM1のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。 The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1.

図2(C)に、トランジスタの電気特性の1つであるId-Vg特性の一例を示す。Id-Vg特性は、ゲート電圧(Vg)の変化に対するドレイン電流(Id)の変化を示す。図2(C)の横軸は、Vgをリニアスケールで示している。また、図2(C)の縦軸は、Idをログスケールで示している。図2(C)に示すように、配線BGLにバックゲート電圧(Vbg)として、正バイアスである電圧+Vbgを供給すると、Id-Vg特性がVgのマイナス方向にシフトする。配線BGLに負バイアスである電圧-Vbgを供給すると、Id-Vg特性がVgのプラス方向にシフトする。Id-Vg特性のシフト量は、配線BGLに供給される電圧の大きさで決まる。配線BGLに任意の電圧を印加することによって、トランジスタM1のしきい値電圧を増減することができる。 FIG. 2C shows an example of Id-Vg characteristics, which are electrical characteristics of a transistor. The Id-Vg characteristic indicates changes in drain current (Id) with respect to changes in gate voltage (Vg). The horizontal axis of FIG. 2C indicates Vg on a linear scale. Also, the vertical axis of FIG. 2(C) indicates Id on a log scale. As shown in FIG. 2C, when a positive bias voltage +Vbg is supplied to the wiring BGL as the back gate voltage (Vbg), the Id-Vg characteristic shifts in the negative direction of Vg. When a negative bias voltage -Vbg is supplied to the wiring BGL, the Id-Vg characteristic shifts in the positive direction of Vg. The shift amount of the Id-Vg characteristic is determined by the magnitude of the voltage supplied to the wiring BGL. By applying an arbitrary voltage to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased.

データの書き込みおよび読み出しは、ワード線WLにトランジスタM1を導通状態(オン状態)とする電位を供給し、トランジスタM1を導通状態にして、ビット線BLまたはビット線BLBと容量素子CAの一方の電極を電気的に接続することによって行われる。 In writing and reading data, a potential for turning on the transistor M1 is supplied to the word line WL, the transistor M1 is turned on, and the bit line BL or the bit line BLB and one electrode of the capacitor CA are connected. by electrically connecting the

トランジスタM1としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM1のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM1によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセルに対してアナログデータを保持することができる。 By using an OS transistor as the transistor M1, leakage current of the transistor M1 can be significantly reduced. In other words, since written data can be held for a long time by the transistor M1, the frequency of refreshing the memory cell can be reduced. Also, the refresh operation of the memory cells can be made unnecessary. Also, since the leakage current is very low, analog data can be retained for the memory cell.

図1(A)に示すように、円筒形二次電池15からモバイル機器17に電力を供給する場合、円筒形二次電池15は放電状態となり、第1の端子12及び第2の端子13における電圧や電流などの挙動を充電制御回路10で監視し、異常を検知した場合には、第2の伝送路を遮断して放電を停止する。 As shown in FIG. 1A, when power is supplied from the cylindrical secondary battery 15 to the mobile device 17, the cylindrical secondary battery 15 is in a discharged state, and the first terminal 12 and the second terminal 13 The charging control circuit 10 monitors the behavior of voltage, current, and the like, and when an abnormality is detected, the second transmission path is cut off to stop discharging.

モバイル機器17は二次電池以外の構成を指しており、モバイル機器17にとっての電源が、円筒形二次電池15である。なお、モバイル機器17とは形態して持ち歩ける電子機器である。 The mobile device 17 indicates a configuration other than a secondary battery, and the power source for the mobile device 17 is the cylindrical secondary battery 15 . Note that the mobile device 17 is an electronic device that can be carried around in a form.

また、円筒形二次電池15に充電器16から電力を供給されて充電する場合、円筒形二次電池15は充電状態となり、第1の端子12及び第2の端子13における電圧や電流などの挙動を充電制御回路10で監視し、異常を検知した場合には、第2の伝送路を遮断して充電を停止する。 When the cylindrical secondary battery 15 is charged by being supplied with electric power from the charger 16, the cylindrical secondary battery 15 is in a charged state, and the voltage and current at the first terminal 12 and the second terminal 13 are changed. The behavior is monitored by the charge control circuit 10, and when an abnormality is detected, the second transmission path is cut off to stop charging.

充電器16は、外部電源と接続するアダプターを有する機器や、無線信号を用いて電力伝送を行う機器を指している。なお、充電器16がモバイル機器17に内蔵されている場合もある。 The charger 16 refers to a device that has an adapter that connects to an external power source, or a device that transmits power using a wireless signal. Note that the charger 16 may be built in the mobile device 17 in some cases.

従来のように、円筒形二次電池の底面と重なる円形のリジット基板にICチップを実装した保護回路を用いる場合、ソケットに嵌めてバネに接触するため物理的な圧力がかかり故障の原因になる恐れがある。従来に比べて、本発明においては、円筒形二次電池の側面に設けるため物理的な圧力がかからない。また、従来においては、底部に円形のリジット基板を配置するとそのスペースに合わせて、電池のサイズを小さくする必要があるため、容量が小さくなる。従来に比べて、本発明においては、円筒形二次電池の側面に設けるため、容量を小さくすることなく、省スペース化も実現できる。 As in the past, when using a protection circuit in which an IC chip is mounted on a circular rigid substrate that overlaps the bottom surface of a cylindrical secondary battery, physical pressure is applied to the socket and the spring contacts the socket, causing failure. There is fear. Compared with the conventional art, in the present invention, physical pressure is not applied because it is provided on the side surface of the cylindrical secondary battery. In addition, in the conventional case, when a circular rigid substrate is placed on the bottom, the size of the battery must be reduced to match the space, resulting in a small capacity. In the present invention, as compared with the prior art, since it is provided on the side surface of the cylindrical secondary battery, it is possible to save space without reducing the capacity.

このように、円筒形二次電池の側面の曲面領域に充電制御回路10や保護回路を設けることは有用である。例えば、18650電池の場合、直径18mm、長さ65mmであるため、可撓性基板11の面積は、円筒形二次電池の側面面積とほぼ同じ面積(X方向の長さは3.14×18mm、Y方向の長さは65mm)またはそれ以下となる。また、26650電池の場合、直径26mm、長さ65mmであるため、可撓性基板11の面積は、X方向の長さは3.14×26mm、Y方向の長さは65mmとする。 Thus, it is useful to provide the charge control circuit 10 and the protection circuit on the curved side surface area of the cylindrical secondary battery. For example, an 18650 battery has a diameter of 18 mm and a length of 65 mm. , the length in the Y direction is 65 mm) or less. In the case of a 26650 battery, since it has a diameter of 26 mm and a length of 65 mm, the area of the flexible substrate 11 is 3.14×26 mm in the X direction and 65 mm in the Y direction.

また、円筒形二次電池15が18650電池の場合、可撓性基板11を貼り付けると可撓性基板11の曲面領域は、曲率半径が約9mmとなる。可撓性基板11上に設けた回路や配線の影響で一律に曲率半径が約9mmとならない場合もあるため、本明細書等では、最も小さい曲率半径を面の曲率半径とする。曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面においての曲率半径を指すことする。用いる円筒形二次電池15のサイズにもよるが、曲率半径30mm以上、好ましくは曲率半径9mm以上の範囲で可撓性基板11を曲げることができる。 Further, when the cylindrical secondary battery 15 is a 18650 battery, when the flexible substrate 11 is attached, the curved surface area of the flexible substrate 11 has a radius of curvature of about 9 mm. Because the radius of curvature may not be uniformly about 9 mm due to the influence of the circuits and wiring provided on the flexible substrate 11, the smallest radius of curvature is defined as the radius of curvature of the surface in this specification and the like. When the curved surface has a shape with multiple centers of curvature, the term refers to the radius of curvature of the curved surface with the smallest radius of curvature among the radii of curvature at each of the multiple centers of curvature. Depending on the size of the cylindrical secondary battery 15 used, the flexible substrate 11 can be bent within a radius of curvature of 30 mm or more, preferably 9 mm or more.

ここで、円筒形二次電池について図3(A)及び図3(B)を参照して説明する。円筒形二次電池15は、図3(B)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)201を有し、側面および底面に電池缶(外装缶)202を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶)202とは、ガスケット(絶縁パッキン)210によって絶縁されている。 Here, a cylindrical secondary battery will be described with reference to FIGS. 3(A) and 3(B). As shown in FIG. 3B, the cylindrical secondary battery 15 has a positive electrode cap (battery cover) 201 on its top surface and battery cans (armor cans) 202 on its side and bottom surfaces. The positive electrode cap and the battery can (outer can) 202 are insulated by a gasket (insulating packing) 210 .

図3(B)は、円筒形二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶202の内側には、帯状の正極204と負極206とがセパレータ205を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶202は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶202には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶202の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板208、209により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶202の内部は、非水電解液(図示せず)が注入されている。二次電池は、コバルト酸リチウム(LiCoO)やリン酸鉄リチウム(LiFePO)などの活物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、LiBFやLiPF等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。 FIG. 3B is a diagram schematically showing a cross section of a cylindrical secondary battery. A battery element in which a strip-shaped positive electrode 204 and a strip-shaped negative electrode 206 are wound with a separator 205 interposed therebetween is provided inside a hollow cylindrical battery can 202 . Although not shown, the battery element is wound around a center pin. The battery can 202 is closed at one end and open at the other end. The battery can 202 can be made of a metal such as nickel, aluminum, or titanium that is resistant to corrosion by the electrolyte, or an alloy thereof or an alloy of these metals with another metal (for example, stainless steel). . Also, in order to prevent corrosion due to the electrolyte, it is preferable to coat with nickel, aluminum, or the like. Inside the battery can 202, the battery element in which the positive electrode, the negative electrode and the separator are wound is sandwiched between a pair of insulating plates 208 and 209 facing each other. A non-aqueous electrolyte (not shown) is filled inside the battery can 202 in which the battery element is provided. A secondary battery includes a positive electrode containing an active material such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), a negative electrode containing a carbon material such as graphite capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and an ethylene It is composed of a non-aqueous electrolytic solution or the like in which an electrolyte made of a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 is dissolved in an organic solvent such as carbonate or diethyl carbonate.

円筒形二次電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極204には正極端子(正極集電リード)203が接続され、負極206には負極端子(負極集電リード)207が接続される。正極端子203および負極端子207は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子203は安全弁機構212に、負極端子207は電池缶202の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構212は、PTC素子(Positive Temperature Coefficient)211を介して正極キャップ201と電気的に接続されている。安全弁機構212は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ201と正極204との電気的な接続を切断するものである。また、PTC素子211は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。PTC素子には、チタン酸バリウム(BaTiO)系半導体セラミックス等を用いることができる。 Since the positive electrode and the negative electrode used in the cylindrical secondary battery are wound, it is preferable to form the active material on both sides of the current collector. A positive electrode terminal (positive collector lead) 203 is connected to the positive electrode 204 , and a negative electrode terminal (negative collector lead) 207 is connected to the negative electrode 206 . A metal material such as aluminum can be used for both the positive terminal 203 and the negative terminal 207 . The positive terminal 203 and the negative terminal 207 are resistance welded to the safety valve mechanism 212 and the bottom of the battery can 202, respectively. The safety valve mechanism 212 is electrically connected to the positive electrode cap 201 via a PTC element (Positive Temperature Coefficient) 211 . The safety valve mechanism 212 disconnects the electrical connection between the positive electrode cap 201 and the positive electrode 204 when the increase in internal pressure of the battery exceeds a predetermined threshold. The PTC element 211 is a thermal resistance element whose resistance increases when the temperature rises, and the increase in resistance limits the amount of current to prevent abnormal heat generation. Barium titanate (BaTiO 3 ) semiconductor ceramics or the like can be used for the PTC element.

電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液と、外装体とを有する。なお、リチウムイオン二次電池では、充電と放電でアノード(陽極)とカソード(陰極)が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「+極(プラス極)」と呼び、負極は「負極」または「-極(マイナス極)」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード(陽極)やカソード(陰極)という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極(プラス極)と負極(マイナス極)のどちらに対応するものかも併記することとする。 A lithium ion secondary battery using an electrolytic solution has a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, and an outer casing. In a lithium ion secondary battery, the anode (anode) and the cathode (cathode) are switched between charging and discharging, and the oxidation reaction and the reduction reaction are switched. is called the negative electrode. Therefore, in this specification, the positive electrode is the “positive electrode” or “positive electrode” or “positive electrode” during charging, discharging, reverse pulse current, or charging current. A negative electrode is called a “negative electrode” or a “negative electrode”. The use of the terms anode and cathode in relation to oxidation and reduction reactions can be confusing as they are reversed during charging and discharging. Accordingly, the terms anode and cathode are not used herein. If the terms anode or cathode are to be used, specify whether it is charging or discharging, and indicate whether it corresponds to the positive electrode (positive electrode) or the negative electrode (negative electrode). do.

図3(C)に示す2つの端子には充電器が接続され、蓄電池1400が充電される。蓄電池1400の充電が進めば、電極間の電位差は大きくなる。図3(C)では、蓄電池1400の外部の端子から、正極1402の方へ流れ、蓄電池1400の中において、正極1402から負極1404の方へ流れ、負極から蓄電池1400の外部の端子の方へ流れる電流の向きを正の向きとしている。つまり、充電電流の流れる向きを電流の向きとしている。 A charger is connected to two terminals illustrated in FIG. 3C, and the storage battery 1400 is charged. As the charging of the storage battery 1400 progresses, the potential difference between the electrodes increases. In FIG. 3C, from the terminal outside the storage battery 1400, it flows toward the positive electrode 1402, flows from the positive electrode 1402 toward the negative electrode 1404 in the storage battery 1400, and flows from the negative electrode toward the external terminal of the storage battery 1400. The direction of current is assumed to be the positive direction. That is, the direction in which the charging current flows is the direction of the current.

本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、リチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素A、元素X、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Aは第1族の元素および第2族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第1族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第2族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Xとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Xはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)や、リン酸鉄リチウム(LiFePO)が挙げられる。 In this embodiment, an example of a lithium ion secondary battery is shown, but the invention is not limited to the lithium ion secondary battery. For example, a material containing element A, element X, and oxygen can be used as the positive electrode material of the secondary battery. can be done. Element A is preferably one or more selected from Group 1 elements and Group 2 elements. Alkali metals such as lithium, sodium, and potassium can be used as the Group 1 elements. Also, for example, calcium, beryllium, magnesium, or the like can be used as the Group 2 element. As the element X, for example, one or more selected from metal elements, silicon and phosphorus can be used. Also, the element X is preferably one or more selected from cobalt, nickel, manganese, iron, and vanadium. Typical examples include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) and lithium iron phosphate (LiFePO 4 ).

負極は、負極活物質層および負極集電体を有する。また、負極活物質層は、導電助剤およびバインダを有していてもよい。 The negative electrode has a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector. Moreover, the negative electrode active material layer may have a conductive aid and a binder.

負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと高い。 As the negative electrode active material, an element capable of performing charge-discharge reaction by alloying/dealloying reaction with lithium can be used. For example, materials containing at least one of silicon, tin, gallium, aluminum, germanium, lead, antimony, bismuth, silver, zinc, cadmium, indium, etc. can be used. Such an element has a larger capacity than carbon, and silicon in particular has a high theoretical capacity of 4200 mAh/g.

また、二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙をはじめとするセルロースを有する繊維、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン(ポリアミド)、ビニロン(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。 Also, the secondary battery preferably has a separator. Examples of separators include fibers containing cellulose such as paper, non-woven fabrics, glass fibers, ceramics, synthetic fibers using nylon (polyamide), vinylon (polyvinyl alcohol-based fiber), polyester, acrylic, polyolefin, and polyurethane. can be used.

図4に、二次電池15に充電制御回路10を搭載したモバイル機器17に対して1回の充電中に複数回の異常検出を行う場合の、充電制御システムのフローの一例を示す。 FIG. 4 shows an example of the flow of a charge control system in the case where the mobile device 17 in which the charge control circuit 10 is installed in the secondary battery 15 is detected multiple times during one charge.

まず、電圧モニターなどの電圧値取得手段により、二次電池15の電圧値データを取得する。(S1)次いで、サンプリング期間であるΔtごとに第1のメモリ103にオフセットされた二次電池の電圧データを書き込む。(S2) First, voltage value data of the secondary battery 15 is acquired by voltage value acquisition means such as a voltage monitor. (S1) Next, the offset voltage data of the secondary battery is written in the first memory 103 for each sampling period Δt. (S2)

次いで、現時点と、異なる時点とで測定した電圧値を比較回路102にて比較する。(比較ステップ:S3)比較した結果、2つの入力電圧の差が小さい場合には、上述したデータの取得と比較を繰り返す。異常検知されずに充電しつづけ、満充電に到達(S7)した場合は、充電停止(S8)となる。 Next, the comparison circuit 102 compares voltage values measured at the current time and at different times. (Comparison step: S3) As a result of the comparison, if the difference between the two input voltages is small, the acquisition and comparison of the data described above are repeated. If the charging continues without detection of an abnormality and reaches full charge (S7), the charging is stopped (S8).

比較ステップS3において、2つの入力電圧の差が大きい場合には、異常と判断し、二次電池への充電停止(S8)とする。充電停止する場合には遮断用スイッチ105をオフ状態とする。第2のメモリ104は、遮断用スイッチ105のデータ保持を行う。 In the comparison step S3, if the difference between the two input voltages is large, it is judged to be abnormal and the charging of the secondary battery is stopped (S8). When charging is to be stopped, the cut-off switch 105 is turned off. The second memory 104 holds the data of the cutoff switch 105 .

また、ここでは、マイクロショートのような異常を検出する構成を主に説明したが、特に限定されず、過放電の防止、過充電の防止、組電池でのセルバランス、温度、劣化度に応じた充電電流量の制御なども同じ充電中に行ってもよい。 In addition, although the configuration for detecting an abnormality such as a micro-short has been mainly described here, there is no particular limitation, and over-discharging prevention, over-charging prevention, cell balance in the assembled battery, temperature, and degree of deterioration. Control of the amount of charging current, etc., may also be performed during the same charging.

上記充電制御システムにおいて、比較するタイミングは期間Δtごとに行えばよく、第1のメモリ103が保持できる期間内であれば、特に限定されない。第1のメモリ103は、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いているため、シリコンを用いたメモリに比べて保持期間となる期間Δtを長くすることができる。期間Δtは短縮することもでき、リアルタイムでマイクロショートの検出が可能である。 In the charging control system described above, the timing of comparison may be performed every period Δt, and is not particularly limited as long as it is within the period that the first memory 103 can hold. Since the first memory 103 includes a transistor including an oxide semiconductor, the period Δt, which is a retention period, can be longer than that of a memory including silicon. The period Δt can also be shortened, enabling real-time detection of micro-shorts.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1の円筒形二次電池の別の構造例について、図5及び図6を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, another structural example of the cylindrical secondary battery of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.

図5(A)は、扁平形状の二次電池913及び充電制御回路914及び接続端子911を有する電池パックの外観図を示す図である。 FIG. 5A is an external view of a battery pack including a flat secondary battery 913, a charge control circuit 914, and a connection terminal 911. FIG.

充電制御回路914は、可撓性基板910上に形成または固定されている。充電制御回路914は、マイクロショートなどの異常を検出する。さらに、過充電、過放電および過電流から二次電池913を保護する、保護回路としての機能を有してもよい。 A charging control circuit 914 is formed or fixed on the flexible substrate 910 . A charge control circuit 914 detects an abnormality such as a micro-short. Furthermore, it may have a function as a protection circuit that protects the secondary battery 913 from overcharge, overdischarge, and overcurrent.

充電制御回路914は、実施の形態1に示した充電制御回路10を用いることができる。回路構成などは同一のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略することとする。 The charge control circuit 10 described in Embodiment 1 can be used as the charge control circuit 914 . Since the same circuit configuration can be used, detailed description is omitted here.

また、充電制御回路914に加えてアンテナ及び受信回路を設けてもよい。アンテナを用いて二次電池913に非接触で充電を行うこともできる。アンテナは、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。アンテナは、たとえば外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナを介した電池パックと他の機器との通信方式としては、NFCなど、電池パックと他の機器との間で用いることができる応答方式などを適用することができる。 An antenna and a receiving circuit may be provided in addition to the charging control circuit 914 . The secondary battery 913 can also be charged without contact using an antenna. The antenna is not limited to a coil shape, and may be linear or plate-shaped, for example. Further, antennas such as planar antennas, aperture antennas, traveling wave antennas, EH antennas, magnetic field antennas, and dielectric antennas may be used. The antenna has a function of performing data communication with an external device, for example. As a communication method between the battery pack and the other device via the antenna, a response method such as NFC that can be used between the battery pack and the other device can be applied.

図5(B)に示すように、接続端子911は、充電制御回路914を介して、二次電池913が有する端子951および端子952と電気的に接続される。なお、接続端子911を複数設けて、複数の接続端子911のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。 As shown in FIG. 5B, the connection terminal 911 is electrically connected to terminals 951 and 952 of the secondary battery 913 through the charge control circuit 914 . Note that a plurality of connection terminals 911 may be provided, and each of the plurality of connection terminals 911 may be used as a control signal input terminal, a power supply terminal, or the like.

電池パックは、充電制御回路914と、二次電池913との間に絶縁シート層916を有する。絶縁シート層916は、例えば二次電池913による短絡を防止することができる機能を有する。絶縁シート層916としては、例えば有機樹脂フィルムや接着シートを用いることができる。 The battery pack has an insulating sheet layer 916 between the charging control circuit 914 and the secondary battery 913 . The insulating sheet layer 916 has a function of preventing a short circuit caused by the secondary battery 913, for example. As the insulating sheet layer 916, for example, an organic resin film or an adhesive sheet can be used.

さらに、二次電池913の内部構造例について図6を用いて説明する。 Further, an internal structure example of the secondary battery 913 is described with reference to FIG.

二次電池913の内部に配置される捲回体950の構造について図6(A)に示す。捲回体950は、負極931と、正極932と、セパレータ933と、を有する。捲回体950は、セパレータ933を挟んで負極931と、正極932が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極931と、正極932と、セパレータ933と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。 The structure of a wound body 950 provided inside the secondary battery 913 is shown in FIG. A wound body 950 has a negative electrode 931 , a positive electrode 932 , and a separator 933 . The wound body 950 is a wound body in which the negative electrode 931 and the positive electrode 932 are laminated with the separator 933 interposed therebetween, and the laminated sheet is wound. Note that the negative electrode 931, the positive electrode 932, and the separator 933 may be stacked more than once.

負極931は、端子951及び端子952の一方を介して図5に示す接続端子911に接続される。正極932は、端子951及び端子952の他方を介して図5に示す接続端子911に接続される。 The negative electrode 931 is connected to the connection terminal 911 shown in FIG. 5 via one of the terminals 951 and 952 . The positive electrode 932 is connected to the connection terminal 911 shown in FIG. 5 through the other of the terminals 951 and 952 .

図6(A)に示す捲回体950は、外装体の内部で電解液に含浸される。外装体は金属からなる筐体が用いられる。外装体はフィルムを用いる場合もあり、その場合、そのフィルムに可撓性基板上に形成された充電制御回路を設ける場合もある。 A wound body 950 shown in FIG. 6A is impregnated with an electrolytic solution inside the exterior body. A housing made of metal is used as the exterior body. A film may be used as the exterior body, and in that case, the film may be provided with a charging control circuit formed on a flexible substrate.

図6(B)に示す二次電池913は、筐体930の内部に端子951と端子952が設けられた捲回体950を有する。捲回体950は、筐体930の内部で電解液に含浸される。端子952は、筐体930に接し、端子951は、絶縁材などを用いることにより筐体930に接していない。なお、図6(B)では、便宜のため、筐体930を分離して図示しているが、実際は、捲回体950が筐体930に覆われ、端子951及び端子952が筐体930の外に延在している。筐体930としては、金属材料(例えばアルミニウムなど)又は樹脂材料を用いることができる。 A secondary battery 913 illustrated in FIG. 6B includes a wound body 950 provided with a terminal 951 and a terminal 952 inside a housing 930 . The wound body 950 is impregnated with the electrolytic solution inside the housing 930 . The terminal 952 is in contact with the housing 930, and the terminal 951 is not in contact with the housing 930 by using an insulating material or the like. Note that in FIG. 6B , the housing 930 is shown separately for the sake of convenience. extending outside. As the housing 930, a metal material (such as aluminum) or a resin material can be used.

筐体930としては、金属材料、有機樹脂など、絶縁材料を用いることができる。 As the housing 930, an insulating material such as a metal material or an organic resin can be used.

図5(A)では、筐体表面に絶縁シート層916を設け、充電制御回路が設けられている面を内側にして可撓性基板を固定している例を示しているが、特に限定されず、充電制御回路が形成されている面を外側にして端子951や端子952と接続を行ってもよい。ただし、その場合には接続部分が露出することとなり、静電破壊、または短絡の危険があるため注意して組み立てることとなる。 FIG. 5A shows an example in which an insulating sheet layer 916 is provided on the surface of the housing and the flexible substrate is fixed with the surface on which the charging control circuit is provided facing inward; Instead, the terminal 951 and the terminal 952 may be connected with the surface on which the charge control circuit is formed facing outward. However, in that case, the connection part will be exposed, and there is a risk of electrostatic breakdown or short circuit, so careful assembly is required.

接続端子911と電気的に接続される充電制御回路914は、実施の形態1に示した充電制御回路10であるため、安全性の高い二次電池913とすることができる。 Since the charge control circuit 914 electrically connected to the connection terminal 911 is the charge control circuit 10 described in Embodiment 1, the secondary battery 913 can be highly safe.

本実施の形態は実施の形態1と自由に組み合わせることができる。 This embodiment mode can be freely combined with the first embodiment mode.

(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充電制御回路10に用いることができる、OSトランジスタの構成例について説明する。なお、OSトランジスタは薄膜トランジスタであり、ガラス基板上に設けられた剥離層上形成することも、単結晶シリコン基板上に積層して設けることもできる。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a structural example of an OS transistor that can be used in the charge control circuit 10 described in the above embodiment will be described. Note that the OS transistor is a thin film transistor and can be formed over a separation layer provided over a glass substrate or stacked over a single crystal silicon substrate.

実施の形態1においては、充電制御回路を設けた可撓性基板を二次電池の曲面に貼り付けた例であるため、ガラス基板上に設けられた剥離層上に形成したOSトランジスタを、公知の剥離方法にて可撓性基板に固定する。また、実施の形態1においては、二次電池の平面に貼り付けた例であるため、単結晶シリコン基板上にOSトランジスタを形成した後、例えば、単結晶シリコン基板裏面を研磨して薄膜化したものを可撓性基板に固定する。また、水素イオン注入剥離法を用いて単結晶シリコン基板からOSトランジスタを分離して可撓性基板に固定してもよい。 Embodiment 1 is an example in which a flexible substrate provided with a charge control circuit is attached to the curved surface of a secondary battery. It is fixed to the flexible substrate by the peeling method. In addition, since Embodiment 1 is an example in which the secondary battery is attached to the plane of the secondary battery, after the OS transistor is formed over the single crystal silicon substrate, for example, the back surface of the single crystal silicon substrate is polished to be thinned. An object is fixed to a flexible substrate. Alternatively, the OS transistor may be separated from the single crystal silicon substrate by a hydrogen ion implantation separation method and fixed to the flexible substrate.

以下、本実施の形態では、単結晶シリコン基板に形成されたSiトランジスタの上方に、OSトランジスタを設けた半導体装置の構成例について説明する。 In this embodiment, a structure example of a semiconductor device in which an OS transistor is provided above a Si transistor formed over a single crystal silicon substrate will be described below.

<半導体装置の構成例>
図7に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500、および容量素子600を有している。図8(A)はトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図8(B)はトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図8(C)はトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
<Structure example of semiconductor device>
A semiconductor device illustrated in FIG. 7 includes a transistor 300 , a transistor 500 , and a capacitor 600 . 8A is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction, FIG. 8B is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction, and FIG. 8C is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction. It is a diagram.

トランジスタ500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(OSトランジスタ)である。トランジスタ500は、ソースとドレインとの間に高い電圧を印加できる、高温環境下でもオフ電流が増加しにくい、高温環境下でもオン電流とオフ電流の比が大きいという特徴を有するため、上記実施の形態では、これを充電制御回路10に用いることにより、モバイル機器を安全性の高い半導体装置とすることができる。 The transistor 500 is a transistor (OS transistor) including a metal oxide in a channel formation region. The transistor 500 has the characteristics that a high voltage can be applied between the source and the drain, the off-state current does not easily increase even in a high-temperature environment, and the ratio of the on-state current to the off-state current is large even in a high-temperature environment. In terms of form, by using this in the charging control circuit 10, the mobile device can be a highly safe semiconductor device.

本実施の形態で説明する半導体装置は、図7に示すように、トランジスタ300、トランジスタ500、および容量素子600を有する。トランジスタ500はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子600は、トランジスタ300およびトランジスタ500の上方に設けられている。 The semiconductor device described in this embodiment includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitor 600 as illustrated in FIG. The transistor 500 is provided above the transistor 300 , and the capacitor 600 is provided above the transistors 300 and 500 .

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。 The transistor 300 is provided over a substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, and low-resistance regions 314a and 314b functioning as source and drain regions. have.

トランジスタ300は、図8(C)に示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。 In the transistor 300, as shown in FIG. 8C, a top surface and side surfaces in the channel width direction of a semiconductor region 313 are covered with a conductor 316 with an insulator 315 interposed therebetween. By making the transistor 300 Fin-type in this manner, the effective channel width is increased, so that the on-characteristics of the transistor 300 can be improved. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristics of the transistor 300 can be improved.

なお、トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。 Note that the transistor 300 may be of either p-channel type or n-channel type.

半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、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)など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。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。 A region in which a channel of the semiconductor region 313 is formed, a region in the vicinity thereof, low-resistance regions 314a and 314b serving as a source region or a drain region, and the like preferably contain a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material including Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure 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 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。 The low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b are made of an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313. contains elements that

ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。 The conductor 316 functioning as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, a metal material, or 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Vth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など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など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。 Note that since the work function is determined by the material of the conductor, Vth 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. Furthermore, in order to achieve both conductivity and embeddability, 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 from the viewpoint of heat resistance.

なお、図7に示すトランジスタ300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。 Note that the transistor 300 illustrated in FIG. 7 is an example, and the structure thereof is not limited, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.

トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体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 stacked in this order to cover the transistor 300 .

絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体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、窒化アルミニウムなどを用いればよい。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is 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300など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 function as a planarization film that planarizes a step caused by the transistor 300 or the like provided therebelow. For example, the top surface of the insulator 322 may be planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to improve planarity.

また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ500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。 For the insulator 324, it is preferable to use a film having a barrier property such that hydrogen or impurities do not diffuse from the substrate 311, the transistor 300, or the like to the region where the transistor 500 is provided.

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500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300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, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, diffusion of hydrogen into a semiconductor element including an oxide semiconductor, such as the transistor 500, might degrade the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300 . Specifically, the film that suppresses diffusion of hydrogen is a film from which the amount of desorption of hydrogen is small.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析(TDS分析)法など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 desorption amount of hydrogen can be analyzed using, for example, a temperature-programmed desorption spectroscopy (TDS analysis) method. For example, the amount of hydrogen released from the insulator 324 is the amount of hydrogen atoms released per area of the insulator 324 when the surface temperature of the film is in the range of 50° C. to 500° C. in TDS analysis. , 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。比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。 Note that the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324 . For example, the dielectric constant of insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3. Also, for example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less, that of the insulator 324 . By using a material with a low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子600、またはトランジスタ500と接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまた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機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。 In addition, the insulator 320 , the insulator 322 , the insulator 324 , and the insulator 326 are embedded with a conductor 328 and a conductor 330 that are connected to the capacitor 600 or the transistor 500 . Note that the conductors 328 and 330 function as plugs or wirings. In addition, conductors that function as plugs or wiring may have a plurality of structures collectively given the same reference numerals. Further, in this specification and the like, the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. That is, there are cases where a part of the conductor functions as a wiring and a part of the conductor functions as a plug.

各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また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など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。または、アルミニウムや銅など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 a material of each plug and wiring (the conductor 328, the conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a laminated layer. can be used. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably made 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、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図7において、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体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、および絶縁体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300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体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 over the insulator 326 and the conductor 330 . For example, in FIG. 7, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are stacked in order. A conductor 356 is formed over the insulators 350 , 352 , and 354 . The conductor 356 functions as a plug or wiring connected to the transistor 300 . Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of the conductors 328 and 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300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the insulator 350 , for example, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used, like 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 structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 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300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。 Note that tantalum nitride or the like may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen, for example. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while the conductivity of the wiring is maintained. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.

絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図7において、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体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、および絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体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 over the insulator 354 and the conductor 356 . For example, in FIG. 7, an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are stacked in order. A conductor 366 is formed over the insulators 360 , 362 , and 364 . Conductor 366 functions as a plug or wiring. Note that the conductor 366 can be provided using a material similar to that of the conductors 328 and 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300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the insulator 360, for example, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used, like 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 structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図7において、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体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、および絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体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 over the insulator 364 and the conductor 366 . For example, in FIG. 7, an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are stacked in order. A conductor 376 is formed over the insulators 370 , 372 , and 374 . Conductor 376 functions as a plug or wiring. Note that the conductor 376 can be provided using a material similar to that of the conductors 328 and 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300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the insulator 370, for example, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used like 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 structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図7において、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体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、および絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体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 over the insulator 374 and the conductor 376 . For example, in FIG. 7, an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are stacked in order. A conductor 386 is formed over the insulators 380 , 382 , and 384 . Conductor 386 functions as a plug or wiring. Note that the conductor 386 can be provided using a material similar to that of the conductors 328 and 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300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 Note that for the insulator 380, for example, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used like 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 structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a barrier layer, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 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、および導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置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。 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 are described above. It is not limited to this. The number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be three or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be five or more.

絶縁体384上には絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体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、および絶縁体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 stacked in this order over the insulator 384 . Any of the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 is preferably a substance having barrier properties against oxygen and hydrogen.

例えば、絶縁体510、および絶縁体514には、例えば、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ500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 the insulators 510 and 514, for example, a film having a barrier property that prevents hydrogen or impurities from diffusing from the substrate 311, a region where the transistor 300 is provided, or the like to a region where the transistor 500 is provided is used. is preferred. Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、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500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300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, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, diffusion of hydrogen into a semiconductor element including an oxide semiconductor, such as the transistor 500, might degrade the characteristics of the semiconductor element. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300 . Specifically, the film that suppresses diffusion of hydrogen is a film from which the amount of desorption of hydrogen is small.

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、および絶縁体514には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 It is preferable to use a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide for the insulators 510 and 514, which are films having a barrier property against hydrogen.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500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500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 shielding effect of preventing the penetration of both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide forming the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500 .

また、例えば、絶縁体512、および絶縁体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、および絶縁体516として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。 Further, for example, the insulator 512 and the insulator 516 can be formed using a material similar to that of the insulator 320 . Also, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, the insulators 512 and 516 can be formed using a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like.

また、絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516には、導電体518、およびトランジスタ500を構成する導電体(導電体503)等が埋め込まれている。なお、導電体518は、容量素子600、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体518は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 In addition, the insulator 510 , the insulator 512 , the insulator 514 , and the insulator 516 are embedded with a conductor 518 , a conductor forming the transistor 500 (the conductor 503 ), and the like. Note that the conductor 518 functions as a plug or wiring that is connected to the capacitor 600 or the transistor 300 . The conductor 518 can be provided using a material similar to that of the conductors 328 and 330 .

特に、絶縁体510、および絶縁体514と接する領域の導電体518は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, a conductor 518 in a region in contact with the insulator 510 and the insulator 514 is preferably a conductor having barrier properties against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having barrier properties against oxygen, hydrogen, and water, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.

絶縁体516の上方には、トランジスタ500が設けられている。 A transistor 500 is provided above the insulator 516 .

図8(A)、(B)に示すように、トランジスタ500は、絶縁体512および絶縁体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の上に配置された酸化物530aと、酸化物530aの上に配置された酸化物530bと、酸化物530b上に、互いに離して配置された導電体542a、および導電体542bと、導電体542aおよび導電体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、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、導電体560と、の間に配置された絶縁体550と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、絶縁体550と、の間に配置された酸化物530cと、を有する。 As shown in FIGS. 8A and 8B, the transistor 500 is provided with a conductor 503 embedded in insulators 512 and 516 and over the insulators 516 and 503 . an insulator 520 placed over the insulator 520, an insulator 522 placed over the insulator 520, an insulator 524 placed over the insulator 522, an oxide 530a placed over the insulator 524, and an oxide Oxide 530b over 530a, conductors 542a and 542b spaced apart over oxide 530b, and conductors 542a and 542b over and over conductors 542a and 542b. An insulator 580 with an opening overlapping between conductors 542b, a conductor 560 arranged in the opening, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, an insulator 580, and a conductor. an insulator 550 interposed between a body 560, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, an insulator 580, and an oxide 530c interposed between the insulator 550; have.

また、図8(A)、(B)に示すように、酸化物530a、酸化物530b、導電体542a、および導電体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8(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8(A)、(B)に示すように、絶縁体580、導電体560、および絶縁体550の上に絶縁体574が配置されることが好ましい。 8A and 8B, an insulator 544 is preferably provided between the oxides 530a, 530b, the conductors 542a and 542b, and the insulator 580. . 8A and 8B, the conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor 560a embedded inside the conductor 560a. 560b and . Further, an insulator 574 is preferably provided over the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550 as shown in FIGS.

なお、以下において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cをまとめて酸化物530という場合がある。また、導電体542aおよび導電体542bをまとめて導電体542という場合がある。 Note that the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c may be collectively referred to as the oxide 530 below. Further, the conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as a conductor 542 in some cases.

なお、トランジスタ500では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物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、酸化物530bの単層、酸化物530bと酸化物530aの2層構造、酸化物530bと酸化物530cの2層構造、または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500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7、図8(A)(B)に示すトランジスタ500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。 Note that although the transistor 500 has a structure in which three layers of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c are stacked in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof, the present invention is limited to this. not a thing For example, a single layer of the oxide 530b, a two-layer structure of the oxides 530b and 530a, a two-layer structure of the oxides 530b and 530c, or a stacked structure of four or more layers may be employed. Although the conductor 560 has a two-layer structure in the transistor 500, 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 500 illustrated in FIGS. 7, 8A, and 8B is an example, and the structure is not limited thereto, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit structure and driving method.

ここで、導電体560は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体542aおよび導電体542bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体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および導電体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500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500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, and the conductors 542a and 542b function as source and drain electrodes, respectively. As described above, the conductor 560 is formed to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductors 542a and 542b. The placement of conductor 560 , conductor 542 a and conductor 542 b is selected in a self-aligned manner with respect to openings in insulator 580 . That is, in the transistor 500, the gate electrode can be arranged between the source electrode and the drain electrode in a self-aligned manner. Therefore, the conductor 560 can be formed without providing an alignment margin, so that the area occupied by the transistor 500 can be reduced. As a result, miniaturization and high integration of the semiconductor device can be achieved.

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または導電体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および導電体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500のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。 Furthermore, since conductor 560 is formed in a region between conductors 542a and 542b in a self-aligned manner, conductor 560 does not have a region that overlaps conductors 542a or 542b. Accordingly, parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b can be reduced. Therefore, the switching speed of the transistor 500 can be improved and high frequency characteristics can be obtained.

導電体560は、第1のゲート(トップゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体503は、第2のゲート(ボトムゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。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500のVth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500のVth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。 Conductor 560 may function as a first gate (also called top gate) electrode. In some cases, the conductor 503 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, Vth of the transistor 500 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently of the potential applied to the conductor 560 . In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, Vth of the transistor 500 can be made higher than 0 V, and off current can be reduced. 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 no potential is applied.

導電体503は、酸化物530、および導電体560と、重なるように配置する。これにより、導電体560、および導電体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、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、および第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 overlap with the oxide 530 and the conductor 560 . Accordingly, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, an electric field generated from the conductor 560 is connected to an electric field generated from the conductor 503, so that a channel formation region formed in the oxide 530 is covered. can be done. In this specification and the like, a transistor structure in which a channel formation region is electrically surrounded by electric fields of a first gate electrode and a second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.

また、本明細書等において、S-channel構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体542aおよび導電体542bに接する酸化物530の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくI型であるといった特徴を有する。また、導電体542aおよび導電体542bに接する酸化物530の側面及び周辺は、絶縁体544と接しているため、チャネル形成領域と同様にI型となりうる。なお、本明細書等において、I型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するS-channel構造は、Fin型構造及びプレーナ型構造とは異なる。S-channel構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。 In this specification and the like, in the S-channel structure, the side surfaces and the periphery of the oxide 530 in contact with the conductors 542a and 542b functioning as source and drain electrodes are said to be i-type like the channel formation region. It has characteristics. In addition, since the side surface and the periphery of the oxide 530 that are in contact with the conductors 542a and 542b are in contact with the insulator 544, they can be i-type like the channel formation region. In this specification and the like, type I can be treated in the same way as high-purity intrinsic, which will be described later. Also, the S-channel structure disclosed in this specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure. By adopting the S-channel structure, it is possible to increase resistance to the short channel effect, in other words, to make the transistor less susceptible to the short channel effect.

また、導電体503は、導電体518と同様の構成であり、絶縁体514および絶縁体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。 The conductor 503 has a structure similar to that of the conductor 518. A conductor 503a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulators 514 and 516, and a conductor 503b is further formed inside.

絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、および絶縁体550は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, and the insulator 550 function as gate insulating films.

ここで、酸化物530と接する絶縁体524は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む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酸化物530に接して設けることにより、酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ500の信頼性を向上させることができる。 Here, the insulator 524 in contact with the oxide 530 preferably contains more oxygen than the stoichiometric composition. In other words, the insulator 524 preferably has an excess oxygen region. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen vacancies in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 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(Thermal Desorption Spectroscopy)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、または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、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having the excess oxygen region. The oxide that desorbs oxygen by heating means that the desorption amount of oxygen in terms of oxygen atoms is 1.0×10 18 atoms/cm 3 or more, preferably 1, in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. 0×10 19 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、酸素分子など)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。 In addition, when the insulator 524 has an excess oxygen region, the insulator 522 preferably has a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, oxygen atoms, oxygen molecules, etc.) (the above 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、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、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 diffusion of oxygen and impurities, oxygen contained in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side, which is preferable. In addition, the conductor 503 can be prevented from reacting with oxygen contained in the insulator 524 and the 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)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体に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。 Insulator 522 is, for example, a so-called high oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba,Sr)TiO 3 (BST). It is preferable to use insulators containing -k materials in a single layer or a stack. As transistors are miniaturized and highly integrated, thinning of the gate insulating film may cause problems such as leakage current. By using a high-k material for the insulator functioning as the 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、および酸素など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およびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方また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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)など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、酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ500の周辺部から酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。 In particular, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium, which is an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (through which oxygen hardly penetrates), is preferably used. As the insulator containing oxide of one or both of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. When the insulator 522 is formed using such a material, the insulator 522 suppresses release of oxygen from the oxide 530 and entry of impurities such as hydrogen from the periphery of the transistor 500 into the oxide 530. act as a layer.

または、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。また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、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above 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、酸化シリコンおよ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、また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。 Insulator 520 is also preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon oxynitride are preferred because they are thermally stable. In addition, by combining an insulator made of a high-k material with silicon oxide or silicon oxynitride, the insulator 520 with a stacked structure that is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.

なお、絶縁体520、絶縁体522、および絶縁体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。 Note that the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is not limited to a laminated structure made of the same material, and a laminated structure made of different materials may be used.

トランジスタ500は、チャネル形成領域を含む酸化物530に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物530として、In-Ga酸化物、In-Zn酸化物を用いてもよい。 In the transistor 500, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor is preferably used for the oxide 530 including a channel formation region. For example, as the oxide 530, In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium , hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like) may be used. Alternatively, as the oxide 530, an In--Ga oxide or an In--Zn oxide may be used.

また、トランジスタ500には、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物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または実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、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。 A metal oxide with low carrier density is preferably used for the transistor 500 . In the case of lowering the carrier density of the metal oxide, the impurity concentration in the metal oxide should be lowered to lower the defect level density. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. Impurities in metal oxides include, for example, hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, and silicon.

特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。従って、水素が多く含まれている金属酸化物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。 In particular, hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bound to the metal atom to form water, which may cause oxygen vacancies in the metal oxide. If the channel formation region in the metal oxide contains oxygen vacancies, the transistor may have normally-on characteristics. Furthermore, a defect in which hydrogen is added to an oxygen vacancy functions as a donor, and an electron, which is a carrier, may be generated. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron that is a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing a large amount of hydrogen tends to have normally-on characteristics.

酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア密度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア密度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア密度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。 Defects with hydrogen in oxygen vacancies can function as donors for metal oxides. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defects. Therefore, metal oxides are sometimes evaluated by carrier density instead of donor concentration. Therefore, in this specification and the like, instead of the donor concentration, the carrier density assuming a state in which no electric field is applied may be used as a parameter of the metal oxide. In other words, the “carrier density” described in this specification and the like may be rephrased as “donor concentration”.

よって、金属酸化物を酸化物530に用いる場合、金属酸化物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、金属酸化物において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、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。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物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。 Therefore, when a metal oxide is used for the oxide 530, hydrogen in the metal oxide is preferably reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is less than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably 1×10 19 atoms/cm It is less than 3 , more preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 , still more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 . By using a metal oxide in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

また、酸化物530に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア密度は、1×1018cm-3以下であることが好ましく、1×1017cm-3未満であることがより好ましく、1×1016cm-3未満であることがさらに好ましく、1×1013cm-3未満であることがさらに好ましく、1×1012cm-3未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア密度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、1×10-9cm-3とすることができる。 Further, when a metal oxide is used for the oxide 530, the carrier density of the metal oxide in the channel formation region is preferably 1×10 18 cm −3 or less and less than 1×10 17 cm −3 . is more preferably less than 1×10 16 cm −3 , still more preferably less than 1×10 13 cm −3 , even more preferably less than 1×10 12 cm −3 . Although there is no particular limitation on the lower limit of the carrier density of the metal oxide in the channel forming region, it can be, for example, 1×10 −9 cm −3 .

また、酸化物530に金属酸化物を用いる場合、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と酸化物530とが接することで、酸化物530中の酸素が導電体542へ拡散し、導電体542が酸化する場合がある。導電体542が酸化することで、導電体542の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物530中の酸素が導電体542へ拡散することを、導電体542が酸化物530中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。 In the case where a metal oxide is used for the oxide 530, the conductors 542 (the conductors 542a and 542b) are in contact with the oxide 530, whereby oxygen in the oxide 530 diffuses into the conductor 542. Conductor 542 may oxidize. Oxidation of the conductor 542 is highly likely to reduce the conductivity of the conductor 542 . Note that diffusion of oxygen in the oxide 530 to the conductor 542 can be rephrased as that the conductor 542 absorbs oxygen in the oxide 530 .

また、酸化物530中の酸素が導電体542(導電体542a、および導電体542b)へ拡散することで、導電体542aと酸化物530bとの間、および、導電体542bと酸化物530bとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体542よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体542と、当該異層と、酸化物530bとの3層構造は、金属-絶縁体-半導体からなる3層構造とみなすことができ、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造と呼ぶ、またはMIS構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。 Further, oxygen in the oxide 530 diffuses into the conductor 542 (the conductor 542a and the conductor 542b), so that the conductor 542a and the oxide 530b and the conductor 542b and the oxide 530b are diffused. Different layers may form between them. Since the different layer contains more oxygen than the conductor 542, the different layer is presumed to have insulating properties. At this time, the three-layer structure of the conductor 542, the different layer, and the oxide 530b can be regarded as a three-layer structure composed of metal-insulator-semiconductor, and is called a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure. Alternatively, it may be called a diode junction structure mainly composed of the MIS structure.

なお、上記異層は、導電体542と酸化物530bとの間に形成されることに限られず、例えば、異層が、導電体542と酸化物530cとの間に形成される場合や、導電体542と酸化物530bとの間、および導電体542と酸化物530cとの間に形成される場合がある。 Note that the different layer is not limited to being formed between the conductor 542 and the oxide 530b. It may form between body 542 and oxide 530b and between conductor 542 and oxide 530c.

また、酸化物530においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、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。 A metal oxide which functions as a channel formation region in the oxide 530 preferably has a bandgap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. By using a metal oxide with a large bandgap in this manner, off-state current of a transistor can be reduced.

酸化物530は、酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、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、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。 Since the oxide 530 includes the oxide 530a under the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, by providing the oxide 530c over the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed.

なお、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、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、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、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、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、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、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、酸化物530cは、酸化物530aまたは酸化物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。 Note that the oxide 530 preferably has a layered structure with oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M among the constituent elements is greater than the atomic number ratio of the element M among the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 530b. is preferred. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M to In is preferably higher than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b. In addition, the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530b is preferably higher than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530a. In addition, the oxide 530c can be a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b.

また、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、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、酸化物530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。 In addition, it is preferable that the energies of the conduction band bottoms of the oxides 530a and 530c be higher than the energies of the conduction band bottoms of the oxide 530b. In other words, the electron affinities of the oxides 530a and 530c are preferably smaller than the electron affinities of the oxide 530b.

ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物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、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化また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、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物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, the energy level at the bottom of the conduction band changes smoothly at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c. In other words, it can be said that the energy level of the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c continuously changes or continuously joins. In order to achieve this, the defect level density of the mixed layers formed at the interface between the oxides 530a and 530b and the interface between the oxides 530b and 530c should be lowered.

具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物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、酸化物530bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物530cとして、In-Ga-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, thereby forming a mixed layer with a low defect level density. be able to. For example, when the oxide 530b is an In--Ga--Zn oxide, the oxides 530a and 530c may be In--Ga--Zn oxide, Ga--Zn oxide, gallium oxide, or the like.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物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500は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of carriers is the oxide 530b. When the oxides 530a and 530c have the above structures, defect level densities at the interfaces between the oxides 530a and 530b and between the oxides 530b and 530c can be reduced. Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 500 can obtain a high on-state current.

酸化物530b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体542(導電体542a、および導電体542b)が設けられる。導電体542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、また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など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、または、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。 A conductor 542 (a conductor 542a and a conductor 542b) functioning as a source electrode and a drain electrode is provided over the oxide 530b. Conductors 542 include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, It is preferable to use a metal element selected from lanthanum, an alloy containing the metal elements described above, or an alloy combining the metal elements described above. For example, tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, and the like are used. is preferred. Also, 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 after absorbing oxygen.

また、図8(A)に示すように、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、および領域543b)が形成される場合がある。このとき、領域543aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域543bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。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. 8A, regions 543 (regions 543a and 543b) are formed as low-resistance regions at the interface between the oxide 530 and the conductor 542 and in the vicinity thereof in some cases. be. At this time, the region 543a functions as one of the source region and the drain region, and the region 543b functions as the other of the source region and the drain region. A channel formation region is formed in a region sandwiched between the regions 543a and 543b.

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、領域543に導電体542に含まれる金属と、酸化物530の成分とを含む金属化合物層が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 oxide 530, the oxygen concentration in the region 543 may be reduced. In some cases, a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 542 and the component of the oxide 530 is formed in the region 543 . In such a case, the carrier density in region 543 increases and 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、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。 An insulator 544 is provided to cover the conductor 542 and suppress oxidation of the conductor 542 . At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover the side surface of the oxide 530 and be in 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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、また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, or the like can be used. can.

特に、絶縁体544として、アルミニウム、またはハフニウムの一方また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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)など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、または、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, an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, or an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), is preferably used. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is less likely to be crystallized in heat treatment in a later step. Note that the insulator 544 is not essential if the conductor 542 is made of a material having oxidation resistance or if the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed. It may be appropriately designed depending on the required transistor characteristics.

絶縁体550は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、酸化物530cの内側(上面および側面)に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、または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 functions as a gate insulating film. Insulator 550 is preferably placed in contact with the inside (top and sides) of oxide 530c. The insulator 550 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in TDS analysis, the desorption amount of oxygen 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, more preferably 2. It is an oxide film having a density of 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、炭素およ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、およ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, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxynitride, 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, and vacancies Silicon oxide can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride 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、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、酸化物530cを通じて、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中の水または水素など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 from which oxygen is released by heating as the insulator 550 in contact with the top surface of the oxide 530c, oxygen is effectively introduced from the insulator 550 to the channel formation region of the oxide 530b through the oxide 530c. can be supplied. Further, similarly to the insulator 524, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is preferably reduced. The 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、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。当該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, a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560 in order to efficiently supply excess oxygen contained in the insulator 550 to the oxide 530 . The metal oxide preferably suppresses diffusion of oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 . By providing the metal oxide that suppresses diffusion of oxygen, diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, reduction in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. In addition, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed. As the metal oxide, a material that can be used for the insulator 544 may be used.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、図8(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。 Although the conductor 560 functioning as the first gate electrode has a two-layer structure in FIGS. 8A and 8B, it may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers. .

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など)、銅原子など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。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)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、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 The conductor 560a has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (such as N 2 O, NO, NO 2 ), and copper atoms. Materials are preferably used. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules). Since the conductor 560a has a function of suppressing diffusion of oxygen, oxygen contained in the insulator 550 can suppress oxidation of the conductor 560b and a decrease in conductivity. As the conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used, for example.

また、導電体560bは、タングステン、銅、また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、配線としても機能するため、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、また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。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the conductor 560b. In addition, since the conductor 560b also functions as a wiring, a conductor with high conductivity is preferably used. For example, a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum can be used. Further, the conductor 560b may have a layered structure, for example, a layered structure of titanium, titanium nitride, and the above conductive materials.

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、炭素およ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、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよ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 over the conductor 542 with the insulator 544 interposed therebetween. Insulator 580 preferably has excess oxygen regions. For example, the insulator 580 may be silicon oxide, silicon oxynitride, 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, or silicon oxide having vacancies. , or resin. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having vacancies 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、酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、酸化物530cを通じて、酸化物530へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 Insulator 580 preferably has excess oxygen regions. By providing the insulator 580 from which oxygen is released by heating in contact with the oxide 530c, oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. Note that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 580 is preferably low.

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、および導電体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 a region between the conductors 542a and 542b. Thus, the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductors 542a and 542b.

半導体装置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。 When miniaturizing a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from being lowered. Therefore, when the thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 can have a shape with a high aspect ratio. In this embodiment mode, since the conductor 560 is embedded in the opening of the insulator 580, the conductor 560 can be formed without collapsing during the process even if the conductor 560 has a high aspect ratio. can be done.

絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、および絶縁体550の上面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および絶縁体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、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 top surface of the insulator 580 , the top surface of the conductor 560 , and the top surface of the insulator 550 . By forming the insulator 574 by a sputtering method, excess oxygen regions can be provided in the insulators 550 and 580 . Thereby, oxygen can be supplied into the 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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、また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, the insulator 574 can be a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like. 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、およ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、水素など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 having a thickness of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide film formed by the sputtering method can function not only as an oxygen supply source but also as a barrier film against impurities such as hydrogen.

また、絶縁体574の上に、層間膜として機能する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。 An insulator 581 functioning as an interlayer film is preferably provided over the insulator 574 . Like the insulator 524 and the like, the insulator 581 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.

また、絶縁体581、絶縁体574、絶縁体580、および絶縁体544に形成された開口に、導電体540aおよび導電体540bを配置する。導電体540aおよび導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体540aおよび導電体540bは、後述する導電体546および導電体548と同様の構成である。 In addition, the conductors 540 a and 540 b are arranged in openings formed in the insulators 581 , 574 , 580 , and 544 . The conductor 540a and the conductor 540b are provided to face each other with the conductor 560 interposed therebetween. The conductors 540a and 540b have the same structure as the conductors 546 and 548, which will be described later.

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、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 An insulator 582 is provided over the insulator 581 . It is preferable that the insulator 582 use a substance that has a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, a material similar to that of the insulator 514 can be used for the insulator 582 . For example, the insulator 582 is preferably formed using a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide.

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、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および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500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500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 shielding effect of preventing the penetration of both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide forming the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500 .

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などを用いることができる。 An insulator 586 is provided over the insulator 582 . A material similar to that of the insulator 320 can be used for the insulator 586 . Also, by using a material having a relatively low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 586 .

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、および絶縁体586には、導電体546、および導電体548等が埋め込まれている。 In addition, 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 the conductor 546, the conductor 548, and the like. is embedded.

導電体546、および導電体548は、容量素子600、トランジスタ500、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体546、および導電体548は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 The conductors 546 and 548 function as plugs or wirings that connect to the capacitor 600 , the transistor 500 , or the transistor 300 . The conductors 546 and 548 can be formed using a material similar to that of the conductors 328 and 330 .

続いて、トランジスタ500の上方には、容量素子600が設けられている。容量素子600は、導電体610と、導電体620、絶縁体630とを有する。 Next, a capacitor 600 is provided above the transistor 500 . A capacitor 600 includes a conductor 610 , a conductor 620 , and an insulator 630 .

また、導電体546、および導電体548上に、導電体612を設けてもよい。導電体612は、トランジスタ500と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体610は、容量素子600の電極としての機能を有する。なお、導電体612、および導電体610は、同時に形成することができる。 A conductor 612 may be provided over the conductor 546 and the conductor 548 . The conductor 612 functions as a plug or wiring connected to the transistor 500 . The conductor 610 functions as an electrode of the capacitor 600 . Note that the conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.

導電体612、および導電体610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、また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。または、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などの導電性材料を適用することもできる。 The conductors 612 and 610 are metal films containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or metal nitride films containing any of the above elements as components. (tantalum 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. Conductive materials such as indium tin oxide can also be applied.

図7では、導電体612、および導電体610は単層構造として示しているが、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、およ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。 Although the conductors 612 and 610 each have a single-layer structure in FIGS. 7A and 7B, they are not limited to this structure and may have a stacked structure of two or more layers. For example, between a conductor with a barrier property and a conductor with high conductivity, a conductor with a barrier property and a conductor with high adhesion to the conductor with high conductivity may be formed.

絶縁体630を介して、導電体610と重畳するように、導電体620を設ける。なお、導電体620は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。 A conductor 620 is provided so as to overlap with the conductor 610 with an insulator 630 interposed therebetween. Note that the conductor 620 can be made of a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In addition, when forming simultaneously with another structure such as a conductor, a low-resistance metal material such as Cu (copper) or Al (aluminum) may be used.

導電体620、および絶縁体630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 over the conductor 620 and the insulator 630 . The insulator 650 can be provided using a material similar to that of the insulator 320 . In addition, the insulator 650 may function as a planarizing film that covers the uneven shape thereunder.

本構造を用いることで、酸化物半導体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。または、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提供することができる。または、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提供することができる。または、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。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。 With the use of this structure, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor can be miniaturized or highly integrated.

<トランジスタの構造例>
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ500に用いることができる構造例について説明する。
<Example of transistor structure>
Note that the transistor 500 of the semiconductor device described in this embodiment is not limited to the above structure. Structural examples that can be used for the transistor 500 are described below.

<トランジスタの構造例1>
図9(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図9(A)はトランジスタ510Aの上面図である。図9(B)は、図9(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図9(C)は、図9(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図9(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 is described with reference to FIGS. FIG. 9A is a top view of the transistor 510A. FIG. 9(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 9(A). FIG. 9(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the one-dot chain line W1-W2 in FIG. 9(A). Note that in the top view of FIG. 9A, some elements are omitted for clarity of illustration.

図9(A)、(B)および(C)では、トランジスタ510Aと、層間膜として機能する絶縁体511、絶縁体512、絶縁体514、絶縁体516、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体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機能する導電体546(導電体546a、および導電体546b)と、配線として機能する導電体503と、を示している。 9A, 9B, and 9C, the transistor 510A and the insulators 511, 512, 514, 516, 580, 582, and 582 functioning as interlayer films. A body 584 is shown. Also shown are conductors 546 (a conductor 546a and a conductor 546b) that are electrically connected to the transistor 510A and function as contact plugs, and a conductor 503 that functions as a wiring.

トランジスタ510Aは、第1のゲート電極として機能する導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、第2のゲート電極として機能する導電体505(導電体505a、および導電体505b)と、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁体550と、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524と、チャネルが形成される領域を有する酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体542aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体542bと、絶縁体574とを有する。 The transistor 510A includes a conductor 560 (a conductor 560a and a conductor 560b) functioning as a first gate electrode, a conductor 505 (a conductor 505a and a conductor 505b) functioning as a second gate electrode, An insulator 550 functioning as a first gate insulating film; insulators 521, 522, and 524 functioning as a second gate insulating film; oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c);

また、図9に示すトランジスタ510Aでは、酸化物530c、絶縁体550、および導電体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、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560は、導電体542a、および導電体542bとの間に配置される。 Further, in the transistor 510A illustrated in FIG. 9, the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are placed in an opening provided in the insulator 580 with the insulator 574 interposed therebetween. In addition, oxide 530c, insulator 550, and conductor 560 are placed between conductors 542a and 542b.

絶縁体511、および絶縁体512は、層間膜として機能する。 The insulators 511 and 512 function as interlayer films.

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)または(Ba,Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、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。また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、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 The interlayer film may be silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr). Insulators such as TiO 3 (BST) can be used in single layers or stacks. Alternatively, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

例えば、絶縁体511は、水または水素などの不純物が、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機能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、銅原子など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。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)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などを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体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 functions as a barrier film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. Therefore, for the insulator 511, it is preferable to use an insulating material that has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (through which the above impurities hardly penetrate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material that has a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like) (the oxygen hardly permeates). Alternatively, for example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used as the insulator 511 . With this structure, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing from the substrate side of the insulator 511 toward the transistor 510A side.

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, insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than insulator 511 . By using a material with a low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

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、また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 to be embedded in the insulator 512 . Here, the height of the top surface of the conductor 503 and the height of the top surface of the insulator 512 can be made approximately the same. Note that although the conductor 503 has a single-layer structure, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 503 may have a multilayer structure of two or more layers. Note that the conductor 503 is preferably made of a highly conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component.

トランジスタ510Aにおいて、導電体560は、第1のゲート(トップゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体505は、第2のゲート(ボトムゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。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のしきい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のしきい値電圧を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 transistor 510A, conductor 560 may function as a first gate (also called top gate) electrode. In some cases, the conductor 505 functions as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the potential applied to the conductor 505 is changed independently of the potential applied to the conductor 560, so that the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled. In particular, by applying a negative potential to the conductor 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made higher than 0 V 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 no potential is 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、および導電体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、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。 Further, for example, when the conductor 505 and the conductor 560 are provided so as to overlap each other, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 505, an electric field generated from the conductor 560 and an electric field generated from the conductor 505 , and can cover the channel formation region formed in the oxide 530 .

つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体560の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体505の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。すなわち、先に記載のトランジスタ500と同様に、surrounded channel(S-channel)構造である。 That is, the electric field of the conductor 560 functioning as the first gate electrode and the electric field of the conductor 505 functioning as the second gate electrode can electrically surround the channel formation region. That is, it has a surrounded channel (S-channel) structure like the transistor 500 described above.

絶縁体514、および絶縁体516は、絶縁体511または絶縁体512と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体514は、水または水素などの不純物が、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機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体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 function as interlayer films similarly to the insulator 511 or the insulator 512 . For example, the insulator 514 preferably functions as a barrier film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the substrate side. With this structure, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing from the substrate side of the insulator 514 toward the transistor 510A side. Also, for example, the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514 . By using a material with a low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

第2のゲートとして機能する導電体505は、絶縁体514および絶縁体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および導電体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および導電体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、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 A conductor 505 functioning as a second gate has a conductor 505a formed in contact with the inner walls of the openings of the insulators 514 and 516, and a conductor 505b formed inside. Here, the height of the top surfaces of the conductors 505a and 505b and the height of the top surface of the insulator 516 can be made approximately the same. Note that although the structure in which the conductors 505a and 505b are stacked is shown in the transistor 510A, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 505 may be provided as a single layer or a laminated structure of three or more layers.

ここで、導電体505aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子など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。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)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、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, for the conductor 505a, it is preferable to use a conductive material that has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (through which the above impurities hardly penetrate). Alternatively, it is preferable to use a conductive material that has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (the above-mentioned oxygen hardly permeates). In this specification, the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen means the function of suppressing the diffusion of one or all of the impurities or 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 diffusion of oxygen, it is possible to suppress a decrease in conductivity due to oxidation of the conductor 505b.

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、また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。 In the case where the conductor 505 also functions as a wiring, the conductor 505b is preferably made of a highly conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component. In that case, the conductor 503 is not necessarily provided. Note that although the conductor 505b is shown as a single layer, it may have a layered structure, for example, a layered structure of titanium, titanium nitride, and any of the above conductive materials.

絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。 The insulators 521, 522, and 524 function as second gate insulating films.

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機能する。 Further, the insulator 522 preferably has a barrier property. Since the insulator 522 has a barrier property, it functions as a layer that prevents impurities such as hydrogen from entering the transistor 510A from the periphery of the transistor 510A.

絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)または(Ba,Sr)TiO(BST)などのいわゆるhigh-k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体に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 made of, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or ( It is preferable to use an insulator containing a so-called high-k material such as Ba,Sr)TiO 3 (BST) in a single layer or a laminated layer. As transistors are miniaturized and highly integrated, thinning of the gate insulating film may cause problems such as leakage current. By using a high-k material for the insulator functioning as the gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.

また、絶縁体521は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよ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、また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521を得ることができる。 Also, the insulator 521 is preferably thermally stable. For example, silicon oxide and silicon oxynitride are preferred because they are thermally stable. In addition, by combining an insulator made of a high-k material with silicon oxide or silicon oxynitride, the insulator 521 with a stacked structure that is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.

なお、図9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、または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。 Note that FIG. 9 shows a stacked structure of three layers as the second gate insulating film, but a single layer or a stacked structure of two or more layers may be used. In that case, it is not limited to a laminated structure made of the same material, and a laminated structure made of different materials may be used.

チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物530は、酸化物530aと、酸化物530a上の酸化物530bと、酸化物530b上の酸化物530cと、を有する。酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、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、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。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。 Oxide 530 having a region functioning as a channel formation region includes oxide 530a, oxide 530b over oxide 530a, and oxide 530c over oxide 530b. By providing the oxide 530a under the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b can be suppressed. In addition, by providing the oxide 530c over the oxide 530b, diffusion of impurities from a structure formed above the oxide 530c to the oxide 530b can be suppressed. As the oxide 530, an oxide semiconductor which is one of the metal oxides described above can be used.

なお、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からの不純物が酸化物530へと拡散することを抑制することができる。 Note that the oxide 530c is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the insulator 574 interposed therebetween. When the insulator 574 has a barrier property, diffusion of impurities from the insulator 580 into the oxide 530 can be suppressed.

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機能する。 One of the conductors 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.

導電体542aと、導電体542bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。 The conductors 542a and 542b can be formed using a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing any of these as its main component. . In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.

また、図9では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅-マグネシウム-アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。 In addition, although a single layer structure is shown in FIG. 9, a laminated structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride film and a tungsten film are preferably stacked. Alternatively, a titanium film and an aluminum film may be stacked. A two-layer structure in which an aluminum film is stacked over a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked over a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked over a titanium film, a two-layer structure in which a copper film is stacked over a titanium film, A two-layer structure in which copper films are stacked may be used.

また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 In addition, a three-layer structure in which a titanium film or a titanium nitride film is laminated, an aluminum film or a copper film is laminated on the titanium film or the titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is formed thereon, a molybdenum film or a There is a three-layer structure including a molybdenum nitride film, an aluminum film or a copper film laminated on the molybdenum film or the molybdenum nitride film, and a molybdenum film or a molybdenum nitride film formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

また、導電体542上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体574を成膜する際に、導電体542が酸化することを抑制することができる。 A barrier layer may be provided over the conductor 542 . The barrier layer preferably uses a substance having barrier properties against oxygen or hydrogen. With this structure, oxidation of the conductor 542 can be suppressed when the insulator 574 is formed.

バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。 A metal oxide, for example, can be used for the barrier layer. In particular, it is preferable to use an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide, hafnium oxide, or gallium oxide. Alternatively, silicon nitride formed by a CVD method may be used.

バリア層を有することで、導電体542の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体542に、タングステンや、アルミニウムなど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、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 By including the barrier layer, the selection of materials for the conductor 542 can be widened. For example, the conductor 542 can be made of a material having low oxidation resistance but high conductivity, such as tungsten or aluminum. Alternatively, for example, a conductor that can be easily formed into a film or processed can be used.

絶縁体550は、第1のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、絶縁体580に設けられた開口部内に、酸化物530c、および絶縁体574を介して設けられることが好ましい。 The insulator 550 functions as a first gate insulating film. The insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 with the oxide 530c and the insulator 574 interposed therebetween.

トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流など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機能する絶縁体を、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 transistors are miniaturized and highly integrated, thinning of the gate insulating film may cause problems such as leakage current. In that case, the insulator 550 may have a stacked structure similarly to the second gate insulating film. By making the insulator that functions as the gate insulating film a laminated structure of a high-k material and a thermally stable material, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness. becomes. Moreover, it is possible to obtain a laminated structure that is thermally stable and has a high dielectric constant.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体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、銅原子など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。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)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。 A conductor 560 functioning as a first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. For the conductor 560a, similarly to the conductor 505a, it is preferable to use a conductive material that has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).

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. In other words, with the presence of the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b is suppressed, and a decrease in conductivity can be prevented.

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、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体560aとして、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体560bをスパッタリング法で成膜することで、導電体560a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。 As the conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used, for example. Further, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the conductor 560a. In that case, by forming the conductor 560b by a sputtering method, the electric resistance value of the conductor 560a can be lowered and the conductor 560a can be a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.

導電体560bは、タングステン、銅、また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560は、配線として機能するため、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、また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としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the conductor 560b. Further, since the conductor 560 functions as a wiring, a conductor with high conductivity is preferably used. For example, a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum can be used. Further, the conductor 560b may have a layered structure, for example, a layered structure of titanium or titanium nitride and the above conductive material.

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、水または水素などの不純物、およ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。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。 An insulator 574 is placed between insulator 580 and transistor 510A. For the insulator 574, an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used. For example, it is preferable to use aluminum oxide or hafnium oxide. In addition, metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can also be used.

絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物が酸化物530c、絶縁体550を介して、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。 With the insulator 574, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 can be prevented from diffusing into the oxide 530b through the oxide 530c and the insulator 550. FIG. In addition, oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen in the insulator 580 can be suppressed.

絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584は、層間膜として機能する。 The insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 function as interlayer films.

絶縁体582は、絶縁体514と同様に、水または水素などの不純物が、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機能することが好ましい。 Like the insulator 514, the insulator 582 preferably functions as a barrier insulating film that prevents impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 510A from the outside.

また、絶縁体580、および絶縁体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。 Insulators 580 and 584 preferably have lower dielectric constants than insulator 582, like insulator 516. By using a material with a low dielectric constant as the interlayer film, the parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.

また、トランジスタ510Aは、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584に埋め込まれた導電体546など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。 Transistor 510A may also be electrically connected to other structures through plugs or wires, such as conductor 546 embedded in insulator 580, insulator 582, and insulator 584. FIG.

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、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また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などの高融点材料を用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅など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 a 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 a stacked layer. . For example, it is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Alternatively, it is preferably made 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、水素、およ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, the conductor 546 has a layered structure of tantalum nitride or the like, which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen, and tungsten, which has high conductivity, so that the conductivity of the wiring is maintained. , the diffusion of impurities from the outside can be suppressed.

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用いた半導体装置を提供することができる。または、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用いた半導体装置を提供することができる。または、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。 With the above structure, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in electrical characteristics is suppressed, stable electrical characteristics are obtained, and reliability is improved.

<トランジスタの構造例2>
図10(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図10(A)はトランジスタ510Bの上面図である。図10(B)は、図10(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図10(C)は、図10(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図10(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 is described with reference to FIGS. FIG. 10A is a top view of the transistor 510B. FIG. 10(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 10(A). FIG. 10(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the one-dot chain line W1-W2 in FIG. 10(A). Note that in the top view of FIG. 10A, some elements are omitted for clarity of illustration.

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。 Transistor 510B is a variation of transistor 510A. Therefore, in order to avoid repetition of description, differences from the transistor 510A are mainly described.

トランジスタ510Bは、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と、酸化物530c、絶縁体550、および導電体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 where the conductor 542 (the conductor 542a and the conductor 542b) overlaps with the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560. FIG. With such a structure, a transistor with high on-state current can be provided. Further, a transistor with high controllability can be provided.

第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体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、銅原子など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。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)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。 A conductor 560 functioning as a first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b over the conductor 560a. For the conductor 560a, similarly to the conductor 505a, it is preferable to use a conductive material that has a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).

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. In other words, with the presence of the conductor 560a, oxidation of the conductor 560b is suppressed, and a decrease in conductivity can be prevented.

また、導電体560の上面および側面、絶縁体550の側面、および酸化物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、水または水素などの不純物、およ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。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。 Further, an insulator 574 is preferably provided so as to cover the top surface and side surfaces of the conductor 560, the side surfaces of the insulator 550, and the side surfaces of the oxide 530c. Note that an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used for the insulator 574 . For example, it is preferable to use aluminum oxide or hafnium oxide. In addition, metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, or tantalum oxide, silicon nitride oxide, or silicon nitride can also be used.

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、および水素など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。 By providing the insulator 574, oxidation of the conductor 560 can be suppressed. In addition, with the insulator 574, water and impurities such as hydrogen contained in the insulator 580 can be prevented from diffusing into 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、および絶縁体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。 An insulator 576 (an insulator 576 a and an insulator 576 b ) having a barrier property may be placed between the conductor 546 and the insulator 580 . By providing the insulator 576, oxygen in the insulator 580 can be prevented from reacting with the conductor 546 and oxidation of the conductor 546 can be suppressed.

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、アルミニウムなど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、または加工がしやすい導電体を用いることができる。 In addition, by providing the insulator 576 having a barrier property, the selection range of conductor materials used for plugs and wirings can be widened. For example, a semiconductor device with low power consumption can be provided by using a metal material having a property of absorbing oxygen and having high conductivity for the conductor 546 . Specifically, a material such as tungsten or aluminum that has low oxidation resistance but high conductivity can be used. Alternatively, for example, a conductor that can be easily formed into a film or processed can be used.

<トランジスタの構造例3>
図11(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図11(A)はトランジスタ510Cの上面図である。図11(B)は、図11(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図11(C)は、図11(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図11(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 is described with reference to FIGS. FIG. 11A is a top view of the transistor 510C. FIG. 11(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 11(A). FIG. 11(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the one-dot chain line W1-W2 in FIG. 11(A). Note that in the top view of FIG. 11A, some elements are omitted for clarity.

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。 Transistor 510C is a variation of transistor 510A. Therefore, in order to avoid repetition of description, differences from the transistor 510A are mainly described.

図11に示すトランジスタ510Cは、導電体542aと酸化物530bの間に導電体547aが配置され、導電体542bと酸化物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)の上面および導電体560側の側面を越えて延在し、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。 A transistor 510C illustrated in FIG. 11 has a conductor 547a between a conductor 542a and an oxide 530b, and a conductor 547b between a conductor 542b and an oxide 530b. Here, the conductor 542a (conductor 542b) has a region extending over the top surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side and in contact with the top surface of the oxide 530b. Here, a conductor that can be used for the conductor 542 may be used as the conductor 547 . Furthermore, the film thickness of the conductor 547 is preferably at least thicker than that of the conductor 542 .

図11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。または、導電体542aの端部および導電体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、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。 With the above structure, the transistor 510C illustrated in FIG. 11 can bring the conductor 542 closer to the conductor 560 than the transistor 510A. Alternatively, the conductor 560 can overlap the end of the conductor 542a and the end of the conductor 542b. Thereby, 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、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。 The conductor 547a (the conductor 547b) preferably overlaps with the conductor 542a (the conductor 542b). With such a structure, the conductor 547a (conductor 547b) functions as a stopper in etching for forming an opening for embedding the conductor 546a (conductor 546b), and overetching of the oxide 530b is prevented. can be prevented.

また、図11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、水または水素などの不純物や、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機能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、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。 In addition, the transistor 510C illustrated in FIG. 11 may have a structure in which the insulator 545 is arranged over and in contact with the insulator 544 . The insulator 544 preferably functions as a barrier insulating film that prevents impurities such as water or hydrogen and excess oxygen from entering the transistor 510C from the insulator 580 side. As the insulator 545, the insulator that can be used for the insulator 544 can be used. Alternatively, the insulator 544 may be a nitride insulator such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride oxide.

また、図11に示すトランジスタ510Cは、図9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法など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、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物530bおよび酸化物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. 9, the transistor 510C shown in FIG. 11 may have the conductor 505 with a single-layer structure. In this case, an insulating film to be the insulator 516 is formed on the pattern-formed conductor 505, and the upper portion of the insulating film is removed by CMP 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, more preferably 0.3 nm or less. Accordingly, planarity of the insulating layer formed over the conductor 505 can be improved, and crystallinity of the oxides 530b and 530c can be improved.

<トランジスタの構造例4>
図12(A)、(B)および(C)を用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図12(A)はトランジスタ510Dの上面図である。図12(B)は、図12(A)に一点鎖線L1-L2で示す部位の断面図である。図12(C)は、図12(A)に一点鎖線W1-W2で示す部位の断面図である。なお、図12(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 is described with reference to FIGS. FIG. 12A is a top view of the transistor 510D. FIG. 12(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 12(A). FIG. 12(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line W1-W2 in FIG. 12(A). Note that in the top view of FIG. 12A, some elements are omitted for clarity of illustration.

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。 Transistor 510D is a variation of the above transistor. Therefore, in order to avoid repetition of description, differences from the above transistor will be mainly described.

図12(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、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. 12A to 12C, the conductor 503 is not provided, and the conductor 505 functioning as the second gate also functions as a wiring. Further, an insulator 550 is provided over the oxide 530 c and a metal oxide 552 is provided over the insulator 550 . A conductor 560 is provided over the metal oxide 552 and an insulator 570 is provided over the conductor 560 . An insulator 571 is provided over 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、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 diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560, diffusion of oxygen to the conductor 560 is suppressed. That is, reduction in the amount of oxygen supplied to the oxide 530 can be suppressed. In addition, oxidation of the conductor 560 by oxygen can be suppressed.

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、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層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。 Note that the metal oxide 552 may function as part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552 . In that case, by forming the conductor 560 by a sputtering method, the electrical resistance of the metal oxide 552 can be lowered to form a conductive layer. 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などを用いる場合、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機能する絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 In some cases, the metal oxide 552 functions as part of the gate insulating film. Therefore, when silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 550, the metal oxide 552 is preferably a high-k material with a high dielectric constant. By using the laminated structure, a laminated structure that is stable against heat and has a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness. Also, the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulating layer functioning as the gate insulating film can be reduced.

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機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。 Although the metal oxide 552 is shown as a single layer in the transistor 510D, it may have a stacked structure of two or more layers. For example, a metal oxide functioning as part of the gate electrode and a metal oxide functioning as part of the gate insulating film may be stacked.

金属酸化物552を有することで、ゲート電極として機能する場合は、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。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、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、酸化物530との間の距離を保つことで、導電体560と酸化物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、および金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電体560と酸化物530との間の物理的な距離、および導電体560から酸化物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 functions as a gate electrode, the on-state current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 560. FIG. Alternatively, in the case of functioning as a gate insulating film, the distance between the conductor 560 and the oxide 530 is maintained by the physical thicknesses of the insulator 550 and the metal oxide 552, thereby Leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing the stacked structure of the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the oxide 530 and the electric field intensity applied from the conductor 560 to the oxide 530 can be reduced to It can be easily adjusted accordingly.

具体的には、金属酸化物552として、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。または、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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、また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 reducing the resistance of an oxide semiconductor that can be used for the oxide 530 . Alternatively, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like can be used.

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)など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 an insulating layer containing one or both oxides of aluminum and hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, or an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate). In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is less likely to be crystallized in heat treatment in a later step. Note that the metal oxide 552 is not an essential component. It may be appropriately designed depending on the required transistor characteristics.

絶縁体570は、水または水素などの不純物、およ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、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなど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または水素などの不純物が、導電体560および絶縁体550を介して、酸化物530に混入することを抑制することができる。 For the insulator 570, an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used. For example, it is preferable to use aluminum oxide or hafnium oxide. Accordingly, oxidation of the conductor 560 by oxygen from above the insulator 570 can be suppressed. In addition, impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 can be prevented from entering the oxide 530 through the conductor 560 and the insulator 550 .

絶縁体571はハードマスクとして機能する。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。 Insulator 571 functions as a hard mask. By providing the insulator 571, when the conductor 560 is processed, the side surface of the conductor 560 is substantially vertical. Preferably, it can be 80 degrees or more and 95 degrees or less.

なお、絶縁体571に、水または水素などの不純物、およ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。 Note that the insulator 571 may also function as a barrier layer by using an insulating material which has a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 570 may not 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、および酸化物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、酸化物530b表面の一部を露出させることができる。 Using the insulator 571 as a hard mask, the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and part of the oxide 530c are selectively removed so that their sides are substantially flush. and a portion of the oxide 530b surface can be exposed.

また、トランジスタ510Dは、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域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機能する。 Transistor 510D also has regions 531a and 531b on a portion of the exposed oxide 530b surface. One of region 531a or region 531b functions as a source region and the other functions as a drain region.

領域531aおよび領域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、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物530b表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。 The regions 531a and 531b are formed by, for example, introducing an impurity element such as phosphorus or boron into the exposed surface of the oxide 530b using ion implantation, ion doping, plasma immersion ion implantation, plasma treatment, or the like. It can be realized by Note that in this embodiment and the like, the term “impurity element” refers to an element other than the main component element.

また、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酸化物530bに拡散させて領域531aおよび領域531bを形成することもできる。 In addition, after exposing part of the surface of the oxide 530b, a metal film is formed and heat treatment is performed to diffuse an element contained in the metal film into the oxide 530b to form the regions 531a and 531b. You can also

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および領域531bを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。 A region of the oxide 530b into which the impurity element is introduced has a lower electrical resistivity. Therefore, the regions 531a and 531b are sometimes referred to as "impurity regions" or "low resistance regions".

絶縁体571および/または導電体560をマスクとして用いることで、領域531aおよび領域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および/または領域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または領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531aおよび領域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、動作周波数の向上などを実現できる。 By using the insulator 571 and/or the conductor 560 as a mask, the regions 531a and 531b can be formed in a self-aligned manner. Therefore, the region 531a and/or the region 531b does not overlap with the conductor 560, and parasitic capacitance can be reduced. Also, no offset region is formed between the channel forming region and the source/drain region (region 531a or region 531b). By forming the regions 531a and 531b in a self-aligned manner, it is possible to increase the ON current, reduce the threshold voltage, and improve the operating frequency.

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などと同様にマスクとして機能する。よって、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。 Note that an offset region may be provided between the channel formation region and the source/drain region in order to further reduce the off current. The offset region is a region having a high electric resistivity, and is a region where the above-described impurity element is not introduced. The formation of the offset region can be achieved by introducing the impurity element described above after the insulator 575 is formed. In this case, the insulator 575 also functions as a mask like the insulator 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region of the 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、および酸化物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、炭素およ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、または樹脂など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、酸化シリコンおよ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。 In addition, the transistor 510D has an insulator 575 on the sides of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the oxide 530c. The insulator 575 is preferably an insulator with a low dielectric constant. For example, silicon oxide, silicon oxynitride, 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 vacancies, resin, or the like. Preferably. In particular, it is preferable to use silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having vacancies for the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step. In addition, silicon oxide and silicon oxynitride 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、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、水または水素など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。 In addition, the transistor 510D has an insulator 575 and an insulator 574 over the oxide 530 . The insulator 574 is preferably deposited using a sputtering method. By using a sputtering method, an insulator containing few impurities such as water or hydrogen can be formed. 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530および絶縁体575から水素および水を吸収することで、酸化物530および絶縁体575の水素濃度を低減することができる。 Note that an oxide film formed by sputtering may extract hydrogen from a structure to be formed. Therefore, the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 530 and the insulator 575, whereby the hydrogen concentrations in the oxide 530 and the insulator 575 can be reduced.

<トランジスタの構造例5>
図13(A)乃至図13(C)を用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図13(A)はトランジスタ510E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 5>
A structural example of the transistor 510E is described with reference to FIGS. FIG. 13A is a top view of the transistor 510E. FIG. 13(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 13(A). FIG. 13(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed-dotted line W1-W2 in FIG. 13(A). Note that in the top view of FIG. 13A, some elements are omitted for clarity.

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。 Transistor 510E is a variation of the above transistor. Therefore, in order to avoid repetition of description, differences from the above transistor will be mainly described.

図13(A)乃至図13(C)では、導電体542を設けずに、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域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機能する。また、酸化物530bと、絶縁体574の間に、絶縁体573を有する。 In FIGS. 13A-13C, the conductor 542 is not provided, and a portion of the exposed oxide 530b surface has regions 531a and 531b. One of region 531a or region 531b functions as a source region and the other functions as a drain region. An insulator 573 is provided between the oxide 530 b and the insulator 574 .

図13に示す、領域531(領域531a、および領域531b)は、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。 Regions 531 (regions 531a and 531b) shown in FIG. 13 are regions in which the following element is added to the oxide 530b. Region 531 can be formed by using a dummy gate, for example.

具体的には、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、上記酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、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などを用いることができる。 Specifically, it is preferable to provide a dummy gate over the oxide 530b and use the dummy gate as a mask to add an element that reduces the resistance of the oxide 530b. That is, the element is added to a region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, so that a region 531 is formed. Examples of the method for adding the element include an ion implantation method in which an ionized source gas is added after mass separation, an ion doping method in which an ionized source gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, and the like. can be used.

なお、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、また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)などを用いて測定すればよい。 As an element for reducing the resistance of the oxide 530, typically, boron or phosphorus can be mentioned. Alternatively, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas, or the like may be used. Representative examples of noble gases include helium, neon, argon, krypton, and xenon. The concentration of the element may be measured using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like.

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、また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。 Boron and phosphorus are particularly preferred because they allow the use of equipment in amorphous silicon or low temperature polysilicon production lines. Existing equipment can be diverted, and equipment investment can be suppressed.

続いて、酸化物530b、およびダミーゲート上に、絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体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、および絶縁体574となる絶縁膜を積層して設けることで、領域531と、酸化物530cおよび絶縁体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 the insulator 573 and an insulating film to be the insulator 574 may be formed over the oxide 530b and the dummy gate. By stacking the insulating film to be the insulator 573 and the insulating film to be the insulator 574, a region where the region 531 overlaps with the oxide 530c and the insulator 550 can be provided.

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、および絶縁体573が露出し、当該開口部の底面には、酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体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処理などにより、酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜の一部を除去することで、図13に示すトランジスタを形成することができる。 Specifically, after an insulating film to be the insulator 580 is provided over the insulating film to be the insulator 574, the insulating film to be the insulator 580 is subjected to CMP (Chemical Mechanical Polishing) treatment, whereby the insulator 580 and the insulator 580 are separated from each other. A part of the insulating film is removed to expose the dummy gate. Subsequently, when removing the dummy gate, part of the insulator 573 in contact with the dummy gate is preferably removed. Therefore, the insulator 574 and the insulator 573 are exposed on the side surfaces of the opening provided in the insulator 580, and part of the region 531 provided in the oxide 530b is exposed on the bottom surface of the opening. do. Next, after an oxide film to be the oxide 530c, an insulating film to be the insulator 550, and a conductive film to be the conductor 560 are sequentially formed in the opening, CMP treatment or the like is performed until the insulator 580 is exposed. By removing part of the oxide film to be the oxide 530c, the insulating film to be the insulator 550, and part of the conductive film to be the conductor 560, the transistor illustrated in FIG. 13 can be formed.

なお、絶縁体573、および絶縁体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。 Note that the insulators 573 and 574 are not essential components. It may be appropriately designed depending on the required transistor characteristics.

図13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。 An existing device can be used for the transistor shown in FIG. 13, and cost can be reduced because the conductor 542 is not provided.

<トランジスタの構造例6>
図14(A)乃至図14(C)を用いてトランジスタ510Fの構造例を説明する。図14(A)はトランジスタ510F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。
<Structure Example 6 of Transistor>
A structural example of the transistor 510F is described with reference to FIGS. FIG. 14A is a top view of the transistor 510F. FIG. 14(B) is a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed line L1-L2 in FIG. 14(A). FIG. 14(C) is a cross-sectional view of the portion indicated by the one-dot chain line W1-W2 in FIG. 14(A). Note that in the top view of FIG. 14A, some elements are omitted for clarity.

トランジスタ510F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、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。 Transistor 510F is a variation of transistor 510A. Therefore, in order to avoid repetition of description, differences from the above transistor will be mainly described.

トランジスタ510Aでは、絶縁体574の一部が絶縁体580に設けられた開口部内に設けられ、導電体560の側面を覆うように設けられている。一方で、トランジスタ510Fでは絶縁体580と絶縁体574の一部を除去して開口が形成されている。 In the transistor 510A, part of the insulator 574 is provided in an opening provided in the insulator 580 so as to cover the side surface of the conductor 560 . On the other hand, in the transistor 510F, the insulator 580 and the insulator 574 are partly removed to form an opening.

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、および絶縁体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。 An insulator 576 (an insulator 576 a and an insulator 576 b ) having a barrier property may be placed between the conductor 546 and the insulator 580 . By providing the insulator 576, oxygen in the insulator 580 can be prevented from reacting with the conductor 546 and oxidation of the conductor 546 can be suppressed.

なお、酸化物530として酸化物半導体を用いる場合は、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、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、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、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、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、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、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、酸化物530cは、酸化物530aまたは酸化物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。 Note that in the case where an oxide semiconductor is used as the oxide 530, it is preferable that oxides having different atomic ratios of metal atoms have a stacked structure. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M among the constituent elements is greater than the atomic ratio of the element M among the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 530b. is preferred. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic ratio of the element M to In is preferably higher than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b. In addition, the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530b is preferably higher than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530a. In addition, the oxide 530c can be a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b.

酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cは、結晶性を有することが好ましく、特に、CAAC-OSを用いることが好ましい。CAAC-OS等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥(酸素欠損等)が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物530bからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物530bから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ510Fは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対して安定である。 The oxides 530a, 530b, and 530c preferably have crystallinity, and in particular, CAAC-OS is preferably used. A crystalline oxide such as CAAC-OS has few impurities and defects (such as oxygen vacancies) and has a dense structure with high crystallinity. Therefore, extraction of oxygen from the oxide 530b by the source electrode or the drain electrode can be suppressed. Accordingly, extraction of oxygen from the oxide 530b can be reduced even if heat treatment is performed, so that the transistor 510F is stable against high temperatures (so-called thermal budget) in the manufacturing process.

なお、酸化物530aおよび酸化物530cの一方または双方を省略してもよい。酸化物530を酸化物530bの単層としてもよい。酸化物530を、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの積層とする場合は、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、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、酸化物530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物530cは、酸化物530aに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、酸化物530c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、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、酸化物530c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、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、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、酸化物530c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。 Note that one or both of the oxide 530a and the oxide 530c may be omitted. Oxide 530 may be a single layer of oxide 530b. When the oxide 530 is a stack of oxides 530a, 530b, and 530c, the energies of the conduction band bottoms of the oxides 530a and 530c are higher than the energies of the conduction band bottoms of the oxide 530b. It is preferable to be In other words, the electron affinities of the oxides 530a and 530c are preferably smaller than the electron affinities of the oxide 530b. In this case, the oxide 530c is preferably a metal oxide that can be used for the oxide 530a. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530c, the atomic ratio of the element M among the constituent elements is greater than the atomic ratio of the element M among the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 530b. is preferred. Moreover, in the metal oxide used for the oxide 530c, the atomic ratio of the element M to In is preferably higher than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b. In addition, the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530b is preferably higher than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530c.

ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物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、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化また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、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物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, the energy level at the bottom of the conduction band changes smoothly at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c. In other words, it can be said that the energy level of the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c continuously changes or continuously joins. In order to achieve this, the defect level density of the mixed layers formed at the interface between the oxides 530a and 530b and the interface between the oxides 530b and 530c should be lowered.

具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物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、酸化物530bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物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てもよい。また、酸化物530cを積層構造としてもよい。例えば、In-Ga-Zn酸化物と、当該In-Ga-Zn酸化物上のGa-Zn酸化物との積層構造、またはIn-Ga-Zn酸化物と、当該In-Ga-Zn酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、In-Ga-Zn酸化物と、Inを含まない酸化物との積層構造を、酸化物530cとして用いてもよい。 Specifically, the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, thereby forming a mixed layer with a low defect level density. be able to. For example, when the oxide 530b is an In--Ga--Zn oxide, the oxides 530a and 530c may be In--Ga--Zn oxide, Ga--Zn oxide, gallium oxide, or the like. Alternatively, the oxide 530c may have a stacked structure. For example, a stacked structure of In--Ga--Zn oxide and Ga--Zn oxide on the In--Ga--Zn oxide, or In--Ga--Zn oxide and on the In--Ga--Zn oxide can be used. In other words, a stacked structure of an In--Ga--Zn oxide and an oxide that does not contain In may be used as the oxide 530c.

具体的には、酸化物530aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、または1:1:0.5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物530bとして、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、または3:1:2[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物530cとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]、Ga:Zn=2:1[原子数比]、またはGa:Zn=2:5[原子数比]の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物530cを積層構造とする場合の具体例としては、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、Ga:Zn=2:1[原子数比]との積層構造、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、Ga:Zn=2:5[原子数比]との積層構造、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]と、酸化ガリウムとの積層構造等が挙げられる。 Specifically, a metal oxide of In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio] or 1:1:0.5 [atomic ratio] may be used as the oxide 530a. As the oxide 530b, a metal oxide of In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] or 3:1:2 [atomic ratio] may be used. Further, as the oxide 530c, In:Ga:Zn=1:3:4 [atomic ratio], In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio], Ga:Zn=2:1 [atomic number ratio] or Ga:Zn=2:5 [atomic number ratio]. Further, as a specific example of the case where the oxide 530c has a stacked structure, In:Ga:Zn=4:2:3 [atomic ratio] and Ga:Zn=2:1 [atomic ratio] are stacked. Structure, layered structure of In: Ga: Zn = 4:2:3 [atomic ratio] and Ga: Zn = 2:5 [atomic ratio], In: Ga: Zn = 4:2:3 [atomic number ratio] and a laminated structure with gallium oxide.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物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510Fは高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物530cを積層構造とした場合、上述の酸化物530bと、酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物530cが有する構成元素が、絶縁体550側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物530cを積層構造とし、積層構造の上方にInを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体550側に拡散しうるInを抑制することができる。絶縁体550は、ゲート絶縁体として機能するため、Inが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物530cを積層構造とすることで、信頼性の高い表示装置を提供することが可能となる。 At this time, the main path of carriers is the oxide 530b. When the oxides 530a and 530c have the above structures, defect level densities at the interfaces between the oxides 530a and 530b and between the oxides 530b and 530c can be reduced. Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 510F can obtain high on-current and high frequency characteristics. Note that when the oxide 530c has a stacked structure, in addition to the effect of reducing the defect level density at the interface between the oxide 530b and the oxide 530c, constituent elements of the oxide 530c are on the insulator 550 side. It is expected to suppress the diffusion of More specifically, the oxide 530c has a stacked structure, and the oxide that does not contain In is positioned above the stacked structure, so that In that can diffuse toward the insulator 550 can be suppressed. Since the insulator 550 functions as a gate insulator, the characteristics of the transistor are deteriorated when In is diffused. Therefore, by forming the oxide 530c into a stacked structure, a highly reliable display device can be provided.

酸化物530は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、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。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。 A metal oxide that functions as an oxide semiconductor is preferably used as the oxide 530 . For example, 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 that serves as the channel formation region of the oxide 530 . By using a metal oxide with a large bandgap in this manner, off-state current of a transistor can be reduced. By using such a transistor, a semiconductor device with low power consumption can be provided.

<トランジスタの構造例7>
また、図7及び図8では、ゲートとしての機能を有する導電体560が、絶縁体580の開口の内部に形成されている構造例について説明したが、例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構造を用いることもできる。このようなトランジスタの構造例を、図15、図16に示す。
<Structure Example 7 of Transistor>
7 and 8, the structural example in which the conductor 560 functioning as a gate is formed inside the opening of the insulator 580 is described. A structure provided with a body can also be used. Structural examples of such a transistor are shown in FIGS. 15 and 16. FIG.

図15(A)はトランジスタの上面図であり、図15(B)はトランジスタの斜視図である。また、図15(A)におけるX1-X2の断面図を図16(A)に示し、Y1-Y2の断面図を図16(B)に示す。 FIG. 15A is a top view of a transistor, and FIG. 15B is a perspective view of the transistor. FIG. 16A shows a cross-sectional view along X1-X2 in FIG. 15A, and FIG. 16B shows a cross-sectional view along Y1-Y2.

図15、図16に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体BGEと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体BGIと、酸化物半導体Sと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体TGIと、フロントゲートとしての機能を有する導電体TGEと、配線としての機能を有する導電体WEと、を有する。また、導電体PEは、導電体WEと、酸化物S、導電体BGE、又は導電体TGEと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Sが、3層の酸化物S1、S2、S3によって構成されている例を示している。 The transistors illustrated in FIGS. 15 and 16 include a conductor BGE functioning as a back gate, an insulator BGI functioning as a gate insulating film, an oxide semiconductor S, and an insulator functioning as a gate insulating film. It has a body TGI, a conductor TGE functioning as a front gate, and a conductor WE functioning as a wiring. Also, the conductor PE functions as a plug for connecting the conductor WE with the oxide S, the conductor BGE, or the conductor TGE. Note that here, an example in which the oxide semiconductor S is composed of three layers of oxides S1, S2, and S3 is shown.

(実施の形態4)
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 4)
In this embodiment, a structure of a 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、または材料の構成の一例を表す。
<Structure of Metal Oxide>
In this specification and the like, it may be referred to as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (cloud-aligned composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or material configuration.

CAC-OSまたは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または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(またはホール)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またはCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OSまたは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。 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. Note that when CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the function of conductivity is to flow electrons (or holes) that serve as carriers, and the function of insulation is to serve as carriers. It is a function that does not flow electrons. A switching function (on/off function) can be imparted to the CAC-OS or CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to act complementarily. By separating each function in CAC-OS or CAC-metal oxide, both functions can be maximized.

また、CAC-OSまたは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。 Also, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive regions have the above-described conductive function, and the insulating regions have the above-described insulating function. In some materials, the conductive region and the insulating region are separated at the nanoparticle level. Also, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed to be connected like a cloud with its periphery blurred.

また、CAC-OSまたは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。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less. There is

また、CAC-OSまたは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または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または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。 Also, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different bandgaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from an insulating region and a component having a narrow gap resulting from a conductive region. In the case of this configuration, when the carriers flow, the carriers mainly flow in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts complementarily on the component having a wide gap, and carriers also flow into the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the above CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current drivability, that is, large on-current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.

すなわち、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、また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, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called 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)および非晶質酸化物半導体などがある。
<Structure of Metal Oxide>
Oxide semiconductors are classified into single-crystal oxide semiconductors and non-single-crystal oxide semiconductors. Non-single-crystal oxide semiconductors include, for example, CAAC-OS (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), polycrystalline oxide semiconductors, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductors), pseudo-amorphous oxide semiconductors (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductor, 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また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また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または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温また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。 A thin film with high crystallinity is preferably used as an oxide semiconductor used for a semiconductor of a transistor. 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 over 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1および非特許文献2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、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。 Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 report that an In--Ga--Zn oxide having a CAAC structure (referred to as CAAC-IGZO) was discovered in 2009. Here, it is reported that CAAC-IGZO has c-axis orientation, does not clearly identify grain boundaries, and can be formed on a substrate at low temperatures. 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3参照)。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。 In 2013, an In--Ga--Zn oxide having an nc structure (referred to as nc-IGZO) was discovered (see Non-Patent Document 3). Here, it is reported that nc-IGZO has periodicity in 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 different regions. there is

非特許文献4および非特許文献5では、上記のCAAC-IGZO、nc-IGZO、および結晶性の低い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の薄膜および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の薄膜またはnc-IGZOの薄膜を用いることが好ましい。 Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 show changes in the average crystal size due to electron beam irradiation of each of the thin films of CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO with low crystallinity. In thin films of IGZO with low crystallinity, crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before electron beam irradiation. Therefore, it is reported here that the presence of a completely amorphous structure could not be confirmed in IGZO. Furthermore, it has been shown that CAAC-IGZO thin films and nc-IGZO thin films have higher stability against electron beam irradiation than IGZO thin films with low crystallinity. Therefore, a thin film of CAAC-IGZO or a thin film of nc-IGZO is preferably used as a semiconductor of a 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 a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction. The strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region with a uniform lattice arrangement and another region with a uniform lattice arrangement in a 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、および七角形など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などによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. Also, the distortion may have a lattice arrangement of pentagons, heptagons, and the like. In CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also called a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the distortion of the lattice arrangement suppresses the formation of grain boundaries. This is because the CAAC-OS can tolerate strain due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It is considered to be for

また、CAAC-OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(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。 CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) and a layer containing the element M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as a (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also called layered structure). Note that indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is substituted with indium, the layer can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (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などによって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。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 an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, since a clear grain boundary cannot be confirmed in CAAC-OS, it can be said that the decrease in electron mobility caused by the grain boundary is unlikely to occur. In addition, since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by contamination with impurities, generation of defects, or the like, a CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, an oxide semiconductor including CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor including CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. CAAC-OS is also stable against high temperatures (so-called thermal budget) in the manufacturing process. Therefore, the use of CAAC-OS for the OS transistor makes it possible to expand the degree of freedom in the manufacturing process.

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 periodic atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). Also, nc-OS shows no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, an nc-OS may be indistinguishable from an a-like OS or an 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、鬆または低密度領域を有する。即ち、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。 An a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between an nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. An a-like OS has void or low density regions. That is, a-like OS has lower crystallinity than 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. An oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a 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 including oxide semiconductor>
Next, the case where the above oxide semiconductor is used for a transistor is 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。 Note that by using the above oxide semiconductor for a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be achieved. Further, 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6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などが開示されている(非特許文献7参照)。 Further, a transistor including the above oxide semiconductor has an extremely small leakage current in a non-conducting state, specifically, an off current per 1 μm of channel width of the transistor is on the order of yA/μm (10 −24 A/μm). Non-Patent Document 6 shows that there is. For example, a low-power-consumption CPU and the like that utilize a characteristic of a transistor including an oxide semiconductor, such as low leakage current, have been disclosed (see Non-Patent Document 7).

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8参照)。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。 In addition, application of a transistor including an oxide semiconductor to a display device has been reported, which utilizes a characteristic of a transistor including a low leakage current (see Non-Patent Document 8). In a display device, displayed images are switched several tens of times per second. The number of image switching times per second is called a refresh rate. Also, the refresh rate is sometimes called a driving 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 number of times the image is rewritten by lowering the refresh rate of the display device. In addition, power consumption of the display device can be reduced by driving at a reduced refresh rate. Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.

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または実質的に高純度真性と言う。 An oxide semiconductor with low carrier density is preferably used for a transistor. In the case of lowering the carrier density of the oxide semiconductor film, the concentration of impurities in the oxide semiconductor film may be lowered to lower the defect level density. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density are referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。なお、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体のキャリア密度については、実施の形態2に記載の範囲とすればよい。 Further, since a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a low defect level density, the trap level density may also be low. Note that the carrier density of the oxide semiconductor that can be used in one embodiment of the present invention may be in the range described in Embodiment 2.

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 trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear and may behave like a fixed charge. Therefore, a transistor whose channel formation region is formed in an oxide semiconductor with a high trap level density might 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, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor. In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to also reduce the impurity concentration in adjacent films. 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 is 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 an oxide semiconductor contains silicon or carbon which is one of Group 14 elements, 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 in the vicinity of 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また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、アルカリ金属また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またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。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またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when an oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed to generate carriers. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of 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。 In addition, when an oxide semiconductor contains nitrogen, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the oxide semiconductor tends to be n-type. As a result, a transistor including an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have normally-on characteristics. Therefore, nitrogen content in the oxide semiconductor is preferably reduced as much as possible. For example, the concentration of nitrogen in the oxide semiconductor is less than 5×10 19 atoms/cm 3 , preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less, more preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less, and further preferably 1×10 18 atoms/cm 3 or less according to SIMS. It is 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 the oxide semiconductor reacts with oxygen that bonds to a metal atom to form water, which may cause oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons, which are carriers, may be generated. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing hydrogen is likely to have normally-on characteristics. Therefore, hydrogen in the oxide semiconductor is preferably reduced as much as possible. Specifically, in the 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 , more preferably less than 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 for a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

CAAC構造およびnc構造の発見は、CAAC構造または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および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およ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および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 has contributed to improvements in electrical characteristics and reliability of transistors using an oxide semiconductor having the CAAC structure or the nc structure, as well as cost reduction and throughput improvement in the manufacturing process. In addition, application research of the transistor to display devices and LSIs is underway, taking advantage of the characteristic of the transistor having a low leakage current.

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 Note that this embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態5)
上述した実施の形態では、可撓性基板に充電制御回路を設ける例を示したが、特に限定されず、同一基板上に保護回路、遮断用スイッチ、アンテナ、センサなどを設けてもよい。充電制御回路は、可撓性基板に形成されており、曲げることができ、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。また、本発明の一態様の充電制御回路は、二次電池の側面に設けることができ、省スペース化及び使用部品数の削減を実現することができる。
(Embodiment 5)
In the above embodiments, an example in which the charge control circuit is provided over the flexible substrate is shown; however, there is no particular limitation, and a protection circuit, a cutoff switch, an antenna, a sensor, and the like may be provided over the same substrate. The charging control circuit is formed on a flexible substrate, which is bendable and capable of detecting an abnormality such as a micro-short in the secondary battery. In addition, the charging control circuit of one embodiment of the present invention can be provided on the side surface of the secondary battery, which can save space and reduce the number of components used.

本実施の形態では、充電制御回路を備えた電子機器の例について図17を用いて説明を行う。 In this embodiment, an example of an electronic device including a charge control circuit will be described with reference to FIGS.

ロボット7100は、二次電池、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ(赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど)、および移動機構などを備える。ロボット7100の二次電池に本発明の一態様の充電制御回路を適用して、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 The robot 7100 includes a secondary battery, an illumination sensor, a microphone, a camera, a speaker, a display, various sensors (infrared sensor, ultrasonic sensor, acceleration sensor, piezo sensor, optical sensor, gyro sensor, etc.), a moving mechanism, and the like. By applying the charge control circuit of one embodiment of the present invention to the secondary battery of the robot 7100, an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected.

マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット7100は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット7100において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。 A microphone has a function of detecting acoustic signals such as a user's voice and environmental sounds. The speaker also has the function of emitting audio signals such as voice and warning sounds. The robot 7100 can analyze an audio signal input via a microphone and emit a necessary audio signal from a speaker. Robot 7100 can communicate with the user using a microphone and speaker.

カメラは、ロボット7100の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット7100は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット7100は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。 The camera has a function of capturing images around the robot 7100 . Robot 7100 also has a function of moving using a moving mechanism. The robot 7100 can capture an image of its surroundings using a camera, analyze the image, and sense the presence or absence of an obstacle when moving.

飛行体7120は、プロペラ、カメラ、および二次電池などを有し、自律して飛行する機能を有する。 The flying object 7120 has a propeller, a camera, a secondary battery, and the like, and has a function of autonomous flight.

また、飛行体7120の二次電池に本発明の一態様の充電制御回路を適用して、軽量化に加えて、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 Further, by applying the charge control circuit of one embodiment of the present invention to the secondary battery of the flying object 7120, in addition to weight reduction, an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected.

掃除ロボット7140は、二次電池、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット7300には、タイヤ、吸い込み口などが備えられている。掃除ロボット7300は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。掃除ロボット7140の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 The cleaning robot 7140 has a secondary battery, a display arranged on the top surface, a plurality of cameras arranged on the side surface, a brush, operation buttons, various sensors, and the like. Although not shown, the cleaning robot 7300 is provided with tires, a suction port, and the like. The cleaning robot 7300 can run by itself, detect dust, and suck the dust from a suction port provided on the bottom surface. By applying the charging control circuit of one embodiment of the present invention, which is electrically connected to the secondary battery of the cleaning robot 7140, the number of parts used can be reduced and an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected. can.

移動体の一例として電気自動車7160を示す。電気自動車7160は、二次電池、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。電気自動車7160の二次電池に接続する本発明の一態様の充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 An electric vehicle 7160 is shown as an example of a mobile object. An electric vehicle 7160 has a secondary battery, tires, brakes, a steering device, a camera, and the like. By applying the charging control circuit of one embodiment of the present invention connected to the secondary battery of the electric vehicle 7160, the number of components used can be reduced and an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected.

なお、上述では、移動体の一例として電気自動車について説明しているが、移動体は電気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)なども挙げることができ、これらの移動体の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 In addition, although an electric vehicle is described above as an example of a mobile object, the mobile object is not limited to an electric vehicle. For example, moving objects include trains, monorails, ships, flying objects (helicopters, unmanned aerial vehicles (drone), airplanes, rockets), etc. By applying the charging control circuit of one embodiment of the invention, the number of parts used can be reduced and an abnormality such as a micro-short in a secondary battery can be detected.

充電制御回路700を備えた円筒形二次電池および/または充電制御回路730を備えた電池パックは、スマートフォン7210、PC7220(パーソナルコンピュータ)、ゲーム機7240等に組み込むことができる。なお、充電制御回路700を備えた円筒形二次電池は、実施の形態1に示した充電制御回路10に相当する。また、充電制御回路730を備えた電池パックは、実施の形態2に示した充電制御回路914に相当する。 A cylindrical secondary battery including the charge control circuit 700 and/or a battery pack including the charge control circuit 730 can be incorporated in the smartphone 7210, the PC 7220 (personal computer), the game machine 7240, or the like. A cylindrical secondary battery including charge control circuit 700 corresponds to charge control circuit 10 described in the first embodiment. A battery pack including charge control circuit 730 corresponds to charge control circuit 914 described in the second embodiment.

スマートフォン7210は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン7210は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。充電制御回路730によってこれら周辺機器が制御される。スマートフォン7210の二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。 A smartphone 7210 is an example of a mobile information terminal. A smartphone 7210 has a microphone, a camera, a speaker, various sensors, and a display portion. These peripheral devices are controlled by the charging control circuit 730 . By applying the charging control circuit of one embodiment of the present invention, which is electrically connected to the secondary battery of the smartphone 7210, the number of components used can be reduced and an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected. , can increase safety.

PC7220はそれぞれノート型PCの例である。ノート型PCの二次電池に電気的に接続する本発明の一態様の充電制御回路を適用して、使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができ、安全性を高めることができる。 Each PC7220 is an example of a notebook PC. By applying the charging control circuit of one embodiment of the present invention, which is electrically connected to the secondary battery of the notebook PC, the number of parts used can be reduced and an abnormality such as a micro-short in the secondary battery can be detected. can improve safety.

ゲーム機7240は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機7260は家庭用の据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機7260には、無線または有線でコントローラ7262が接続されている。コントローラ7262に、充電制御回路730を備えた電池パックおよび/または充電制御回路を備えた円筒形二次電池を組み込むことで使用部品数を削減し、且つ、二次電池のマイクロショートなどの異常を検知することができる。 Game machine 7240 is an example of a handheld game machine. The game machine 7260 is an example of a home-use stationary game machine. A controller 7262 is wirelessly or wiredly connected to the game machine 7260 . By incorporating a battery pack with a charge control circuit 730 and/or a cylindrical secondary battery with a charge control circuit into the controller 7262, the number of parts used can be reduced and abnormalities such as micro-shorts of the secondary battery can be prevented. can be detected.

本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in other embodiments and the like.

10 充電制御回路
11 可撓性基板
12 第1の端子
13 第2の端子
14 第3の端子
15 円筒形二次電池
16 充電器
17 モバイル機器
18 電極
19 電極
100 メモリセル
101 二次電池
102 比較回路
103 メモリ
104 メモリ
105 遮断用スイッチ
106 制御回路
201 正極キャップ
202 電池缶
203 正極端子
204 正極
205 セパレータ
206 負極
207 負極端子
208 絶縁板
209 絶縁板
211 PTC素子
212 安全弁機構
300 トランジスタ
311 基板
313 半導体領域
314a 低抵抗領域
314b 低抵抗領域
315 絶縁体
316 導電体
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
500 トランジスタ
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
510F 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 酸化物
530a 酸化物
530b 酸化物
530c 酸化物
531 領域
531a 領域
531b 領域
540a 導電体
540b 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
600 容量素子
610 導電体
612 導電体
620 導電体
630 絶縁体
650 絶縁体
700 充電制御回路
730 充電制御回路
910 可撓性基板
911 接続端子
913 二次電池
914 充電制御回路
916 絶縁シート層
930 筐体
931 負極
932 正極
933 セパレータ
950 捲回体
951 端子
952 端子
1400 蓄電池
1402 正極
1404 負極
7100 ロボット
7120 飛行体
7140 掃除ロボット
7160 電気自動車
7210 スマートフォン
7220 PC
7240 ゲーム機
7260 ゲーム機
7262 コントローラ
7300 掃除ロボット
10 charging control circuit 11 flexible substrate 12 first terminal 13 second terminal 14 third terminal 15 cylindrical secondary battery 16 charger 17 mobile device 18 electrode 19 electrode 100 memory cell 101 secondary battery 102 comparison circuit 103 Memory 104 Memory 105 Cutoff switch 106 Control circuit 201 Positive electrode cap 202 Battery can 203 Positive electrode terminal 204 Positive electrode 205 Separator 206 Negative electrode 207 Negative electrode terminal 208 Insulating plate 209 Insulating plate 211 PTC element 212 Safety valve mechanism 300 Transistor 311 Substrate 313 Semiconductor region 314a Low resistance region 314b low resistance region 315 insulator 316 conductor 320 insulator 322 insulator 324 insulator 326 insulator 328 conductor 330 conductor 350 insulator 352 insulator 354 insulator 356 conductor 360 insulator 362 insulator 364 insulation Body 366 Conductor 370 Insulator 372 Insulator 374 Insulator 376 Conductor 380 Insulator 382 Insulator 384 Insulator 386 Conductor 500 Transistor 503 Conductor 503a Conductor 503b Conductor 505 Conductor 505a Conductor 505b Conductor 510 Insulation body 510A transistor 510B transistor 510C transistor 510D transistor 510E transistor 510F transistor 511 insulator 512 insulator 514 insulator 516 insulator 518 conductor 520 insulator 521 insulator 522 insulator 524 insulator 530 oxide 530a oxide 530b oxide 530c Oxide 531 Region 531a Region 531b Region 540a Conductor 540b 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 550 insulator 552 metal oxide 560 conductor 560a conductor 560b conductor 570 insulator 571 insulator 573 insulator 574 insulator 575 insulator 576 insulator 576a insulator 576b insulator 580 insulator 581 Insulator 582 Insulator 584 Insulator 586 Insulator 600 Capacitive element 610 Conductor 612 Conductor 620 Conductor 630 Insulator 650 Insulator 700 Charging control circuit 730 Charging control circuit 910 Flexible substrate 911 Connection terminal 913 Secondary battery 914 Charging control circuit 916 Insulating sheet layer 930 Case 931 Negative electrode 932 Positive electrode 933 Separator 950 Winding body 951 Terminal 952 Terminal 1400 Storage battery 1402 Positive electrode 1404 Negative electrode 7100 Robot 7120 Airplane 7140 Cleaning robot 7160 Electric vehicle 7210 Smartphone 7220 PC
7240 game machine 7260 game machine 7262 controller 7300 cleaning robot

Claims (4)

二次電池と、
前記二次電池の第1の端子に接続され、前記二次電池から出力される電力を伝送する第1の伝送路と、
前記第1の伝送路に接続され、前記二次電池の側面に接して可撓性基板上に設けられた充電制御回路と、
前記充電制御回路と前記二次電池の第2の端子とを接続する第2の伝送路と、
前記第2の伝送路を遮断するスイッチと、を有し、
前記スイッチは、前記二次電池への過充電時または過放電時に前記第2の伝送路を遮断する機能を有し、前記二次電池の充電中に前記充電制御回路により異常と判定された場合に前記第2の伝送路を遮断して充電を停止する機能を有し、
前記充電制御回路は、酸化物半導体を有するトランジスタを含み、
前記トランジスタのチャネル幅方向における断面視において、前記酸化物半導体の上面および側面が、絶縁体を介して導電体に覆われている、半導体装置。
a secondary battery;
a first transmission line connected to a first terminal of the secondary battery and transmitting power output from the secondary battery;
a charging control circuit connected to the first transmission line and provided on a flexible substrate in contact with the side surface of the secondary battery;
a second transmission line connecting the charging control circuit and a second terminal of the secondary battery;
a switch that cuts off the second transmission line,
The switch has a function of interrupting the second transmission line when the secondary battery is overcharged or overdischarged, and when the charging control circuit determines that an abnormality occurs during charging of the secondary battery. has a function of interrupting the second transmission line to stop charging,
The charge control circuit includes a transistor having an oxide semiconductor,
A semiconductor device, in which a top surface and side surfaces of the oxide semiconductor are covered with a conductor via an insulator, as viewed in a cross section in the channel width direction of the transistor.
請求項1において、
前記二次電池の側面及び前記可撓性基板は曲面を有する半導体装置。
In claim 1,
A semiconductor device in which side surfaces of the secondary battery and the flexible substrate have curved surfaces.
請求項1または請求項2において、
前記可撓性基板上には、前記充電制御回路、保護回路及前記スイッチを有する半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
A semiconductor device comprising the charging control circuit, the protection circuit, and the switch on the flexible substrate.
請求項1乃至3のいずれか一において、
前記二次電池は円筒形を有する半導体装置。
In any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device, wherein the secondary battery has a cylindrical shape.
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