JPWO2017115209A1 - Oxide and production method thereof - Google Patents

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Abstract

トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する。成膜室に酸素または/および希ガスを有するスパッタガスを供給した後、ターゲットと基板との間に電位差を与えることで、成膜ガスのイオンを有するプラズマを生成し、成膜ガスのイオンが電位差によって、ターゲットに向けて加速され、成膜ガスのイオンがターゲットを衝撃することで、ターゲットからターゲットを構成する原子または原子の集合体を剥離させ、原子及び原子の集合体は、基板上に堆積し、基板の加熱によりマイグレーションを起こして、複数の平板状のクラスターを形成し、クラスターどうしの間の領域に、原子、および原子の集合体が入り込み、原子、および原子の集合体が、平板状のクラスターの間の領域を横方向に成長することで、クラスターどうしの間に連結部が形成され、連結部には歪みを有する結晶構造が形成される。An oxide that can be used for a semiconductor of a transistor or the like is manufactured. After supplying a sputtering gas containing oxygen or / and a rare gas to the deposition chamber, a potential difference is applied between the target and the substrate to generate plasma having ions of the deposition gas. The ions are accelerated toward the target by the potential difference, and the ions of the deposition gas bombard the target, so that the atoms or the atomic aggregates constituting the target are separated from the target, and the atoms and the atomic aggregates are formed on the substrate. Depositing and causing migration by heating the substrate to form a plurality of tabular clusters, and atoms and atomic aggregates enter the region between the clusters, and the atoms and atomic aggregates are flat plates. Crystal region with a strain formed in the connecting part by connecting regions between the clusters by laterally growing the region between the cluster-like clusters It is formed.

Description

本発明の一態様は、酸化物およびその作製方法に関する。  One embodiment of the present invention relates to an oxide and a manufacturing method thereof.

または、本発明は、例えば、酸化物、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの作製方法に関する。または、本発明は、例えば、酸化物、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、酸化物、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の作製方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。  Alternatively, the present invention relates to an oxide, a transistor, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof, for example. Alternatively, the present invention relates to an oxide, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a processor, and an electronic device, for example. Alternatively, the present invention relates to a method for manufacturing an oxide, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a memory device, and an electronic device. Alternatively, the present invention relates to a driving method of a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a memory device, or an electronic device.

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

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

絶縁表面を有する基板上の半導体を用いて、トランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。  A technique for forming a transistor using a semiconductor over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to semiconductor devices such as integrated circuits and display devices. Silicon is known as a semiconductor applicable to a transistor.

トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。  As silicon used for a semiconductor of a transistor, amorphous silicon and polycrystalline silicon are selectively used depending on the application. For example, when applied to a transistor included in a large display device, it is preferable to use amorphous silicon in which a technique for forming a film over a large-area substrate is established. On the other hand, when applied to a transistor included in a high-function display device in which a driver circuit and a pixel circuit are formed over the same substrate, it is preferable to use polycrystalline silicon that can manufacture a transistor with high field-effect mobility. It is. A method of forming polycrystalline silicon by performing heat treatment at high temperature or laser light treatment on amorphous silicon is known.

近年では、酸化物半導体(代表的にはIn−Ga−Zn酸化物)を用いたトランジスタの開発が活発化している。  In recent years, development of transistors using an oxide semiconductor (typically, In—Ga—Zn oxide) has been activated.

酸化物半導体の歴史は古く、1988年には、結晶In−Ga−Zn酸化物を半導体素子へ利用することが開示された(特許文献1参照。)。また、1995年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発明されており、その電気特性が開示された(特許文献2参照。)。  An oxide semiconductor has a long history, and in 1988, it was disclosed that a crystalline In—Ga—Zn oxide was used for a semiconductor element (see Patent Document 1). In 1995, a transistor using an oxide semiconductor was invented, and its electrical characteristics were disclosed (see Patent Document 2).

2013年には、あるグループによって非晶質In−Ga−Zn酸化物は、電子線を照射することにより結晶化が促進する不安定な構造であることが報告された(非特許文献1参照。)。また、彼らの作製した非晶質In−Ga−Zn酸化物は、高分解能透過電子顕微鏡によってオーダリングを確認できなかったと報告された。  In 2013, a group reported that an amorphous In—Ga—Zn oxide has an unstable structure in which crystallization is accelerated by irradiation with an electron beam (see Non-Patent Document 1). ). In addition, it was reported that the amorphous In—Ga—Zn oxide produced by them could not be confirmed by the high resolution transmission electron microscope.

2014年には、非晶質In−Ga−Zn酸化物を用いたトランジスタと比べ、優れた電気特性および信頼性を有する、結晶性In−Ga−Zn酸化物を用いたトランジスタについて報告された(非特許文献2、非特許文献3および非特許文献4参照。)。ここでは、CAAC−OS(C−Axis−Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)を有するIn−Ga−Zn酸化物は、結晶粒界が明確に確認されないことが報告された。  In 2014, a transistor using a crystalline In—Ga—Zn oxide having superior electrical characteristics and reliability compared to a transistor using an amorphous In—Ga—Zn oxide was reported ( (See Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document 4.) Here, it has been reported that an In—Ga—Zn oxide having a CAAC-OS (C-Axis-Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) does not clearly confirm a crystal grain boundary.

特開昭63−239117JP-A-63-239117 特表平11−50537711-505377

T.Kamiya,Koji Kimoto,Naoki Ohashi,Katsumi Abe,Yuichiro Hanyu,Hideya kumomi,Hideo Hosono: Proceedings of The 20th International Display Workshops,2013,AMD2−5LT.A. Kamiya, Koji Kimoto, Naoki Ohashi, Katsumi Abe, Yuichiro Hanyu, Hideya Kumomi, Hideo Hosono: Proceedings of The 5th International Dispense 5 S.Yamazaki,H.Suzawa,K.Inoue,K.Kato,T.Hirohashi,K.Okazaki,and N.Kimizuka: Japanese Journal of Applied.Physics 2014 vol.53 04ED18S. Yamazaki, H .; Suzuki, K .; Inoue, K .; Kato, T .; Hirohashi, K .; Okazaki, and N.K. Kimizuka: Japan Journal of Applied. Physics 2014 vol. 53 04ED18 S.Yamazaki,T.Hirohashi,M.Takahashi,S.Adachi,M.Tsubuku,J.Koezuka,K.Okazaki,Y.Kanzaki,H.Matsukizono,S.Kaneko,S.Mori,and T.Matsuo: Journal of the Society for Information Display,2014,Volume 22,issue 1,p.55−p.67S. Yamazaki, T .; Hirohashi, M .; Takahashi, S .; Adachi, M .; Tsubuku, J. et al. Koezuka, K .; Okazaki, Y .; Kanzaki, H .; Matsukizono, S .; Kaneko, S .; Mori, and T.M. Matsuo: Journal of the Society for Information Display, 2014, Volume 22, issue 1, p. 55-p. 67 S.Yamazaki: The Electrochemical Society Transactions,2014,vol.64(10),pp155−164S. Yamazaki: The Electrochemical Society Transactions, 2014, vol. 64 (10), pp155-164

トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する方法を提供することを課題の一とする。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することを課題の一とする。  Another object is to provide a method for manufacturing an oxide that can be used for a semiconductor of a transistor or the like. In particular, an object is to provide a method for manufacturing an oxide with few defects such as a crystal grain boundary.

または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。  Another object is to provide a semiconductor device using an oxide for a semiconductor. Another object is to provide a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor. Another object is to provide an electronic device including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor or a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor.

電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。  An object is to provide a transistor with favorable electrical characteristics. Another object is to provide a transistor with stable electrical characteristics. Another object is to provide a transistor having high frequency characteristics. Another object is to provide a transistor with a low off-state current. Another object is to provide a semiconductor device including the transistor. Another object is to provide a module including the semiconductor device. Another object is to provide an electronic device including the semiconductor device or the module.

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

本発明の一態様は、成膜室と、成膜室内に配置されたターゲットと、基板と、を用いるスパッタリング法による酸化物の成膜方法であって、基板を加熱し、成膜室に酸素または/および希ガスを有する成膜ガスを供給した後、ターゲットと基板との間に電位差を与えることで、ターゲットの近傍に成膜ガスのイオンを有するプラズマを生成し、成膜ガスのイオンが電位差によって、ターゲットに向けて加速され、加速された成膜ガスのイオンがターゲットを衝撃することで、ターゲットからターゲットを構成する原子、およびターゲットを構成する原子の集合体を剥離させ、原子及び原子の集合体は、基板上に堆積し、基板の加熱によりマイグレーションを起こして、複数の平板状のクラスターを形成し、複数の平板状のクラスターの一つと、複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間の領域に、原子、および原子の集合体が入り込み、原子、および原子の集合体が、平板状のクラスターの間の領域を横方向に成長することで、複数の平板状のクラスターの一つと、複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間に連結部が形成され、連結部には歪みを有する結晶構造が形成されることを特徴とする酸化物の作製方法である。  One embodiment of the present invention is a method for forming an oxide film by a sputtering method using a film formation chamber, a target provided in the film formation chamber, and a substrate. Alternatively, after supplying a film forming gas containing a rare gas, a potential difference is applied between the target and the substrate, thereby generating plasma having film forming gas ions in the vicinity of the target. The ions are accelerated toward the target by the potential difference, and the accelerated deposition gas ions bombard the target, so that the atoms constituting the target and the aggregate of atoms constituting the target are separated from the target, and the atoms and atoms The aggregate is deposited on the substrate, undergoes migration by heating the substrate, forms a plurality of plate-like clusters, and forms one of the plurality of plate-like clusters. An atom and a collection of atoms enter a region between another one of the plurality of plate-like clusters, and the atoms and the collection of atoms grow laterally in the region between the plate-like clusters. As a result, a connecting portion is formed between one of the plurality of flat-plate clusters and another one of the plurality of flat-plate clusters, and a strained crystal structure is formed in the connecting portion. This is a feature of producing an oxide.

本発明の他の一態様は、上記において、平板状のクラスターが積層して薄膜構造を形成することを特徴とする酸化物の作製方法である。また、本発明の他の一態様は、ターゲットに含まれる酸化シリコンは2重量%未満であることが好ましい。また、本発明の他の一態様は、成膜ガスに含まれる水分子は0.5sccm以下であることが好ましい。また、本発明の他の一態様は、複数の平板状のクラスターの一つと、複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間の領域に他の平板状のクラスターが形成されていないことが好ましい。  Another embodiment of the present invention is the above method for manufacturing an oxide, in which flat clusters are stacked to form a thin film structure. In another embodiment of the present invention, the silicon oxide contained in the target is preferably less than 2% by weight. In another embodiment of the present invention, the number of water molecules contained in the deposition gas is preferably 0.5 sccm or less. Another embodiment of the present invention is that no other flat cluster is formed in a region between one of the plurality of flat clusters and another one of the plurality of flat clusters. Is preferred.

また、本発明の他の一態様は、ターゲットは、インジウムと、亜鉛と、元素M(元素Mはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ)と、酸素と、を有することが好ましい。また、本発明の他の一態様は、ターゲットは、酸化インジウム、元素Mの酸化物及び酸化亜鉛を有する混合物のターゲットであってもよい。また、本発明の他の一態様は平板状のクラスターは、表面に元素M、亜鉛及び酸素からなる層が形成されていることが好ましい。また、本発明の他の一態様は平板状のクラスターは、表面がc軸に垂直な面になることが好ましい。  In another embodiment of the present invention, the target preferably includes indium, zinc, an element M (the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin), and oxygen. In another embodiment of the present invention, the target may be a mixture target including indium oxide, an oxide of element M, and zinc oxide. In another embodiment of the present invention, it is preferable that the flat cluster has a surface formed of an element M, zinc, and oxygen on the surface. In another embodiment of the present invention, the flat cluster preferably has a surface perpendicular to the c-axis.

トランジスタの半導体などに適用可能な、酸化物を作製する方法を提供することができる。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することができる。  A method for manufacturing an oxide which can be applied to a semiconductor of a transistor or the like can be provided. In particular, a method for manufacturing an oxide with few defects such as a crystal grain boundary can be provided.

または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することができる。  Alternatively, a semiconductor device using an oxide for a semiconductor can be provided. Alternatively, a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor can be provided. Alternatively, an electronic device including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor or a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor can be provided.

電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。  A transistor with favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a transistor with stable electric characteristics can be provided. Alternatively, a transistor having high frequency characteristics can be provided. Alternatively, a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including the transistor can be provided. Alternatively, a module including the semiconductor device can be provided. Alternatively, an electronic device including the semiconductor device or the module can be provided.

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

InMZnOの結晶およびナノクラスターを説明する図。Diagram for explaining the crystal and nanoclusters InMZnO 4. CAAC−OSの成膜方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for forming a CAAC-OS. CAAC−OSの成膜方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for forming a CAAC-OS. CAAC−OSの成膜方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for forming a CAAC-OS. CAAC−OSの成膜方法を説明する図。8A and 8B illustrate a method for forming a CAAC-OS. CAAC−OSの構造を説明する図。FIG. 6 illustrates a structure of a CAAC-OS. 粒子がナノクラスターに付着する位置を説明する図。The figure explaining the position where particle | grains adhere to a nanocluster. 粒子がナノクラスターに付着する位置を説明する図。The figure explaining the position where particle | grains adhere to a nanocluster. InGaZnOの結晶モデルを説明する図。4A and 4B illustrate a crystal model of InGaZnO 4 . InGaZnOの結晶モデルを説明する図。4A and 4B illustrate a crystal model of InGaZnO 4 . InGaZnOの結晶モデルを説明する図。4A and 4B illustrate a crystal model of InGaZnO 4 . InGaZnOの結晶モデルを説明する図。4A and 4B illustrate a crystal model of InGaZnO 4 . 本発明に係る酸化物の原子数比の範囲を説明する図。The figure explaining the range of atomic ratio of the oxide which concerns on this invention. 酸化物の積層構造におけるバンド図。The band figure in the laminated structure of an oxide. スパッタリング装置を説明する図。FIG. 9 illustrates a sputtering apparatus. スパッタリング装置を説明する図。FIG. 9 illustrates a sputtering apparatus. スパッタリング装置を説明する図。FIG. 9 illustrates a sputtering apparatus. スパッタリング装置を説明する図。FIG. 9 illustrates a sputtering apparatus. 成膜装置の一例を示す上面図。The top view which shows an example of the film-forming apparatus. 成膜装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the film-forming apparatus. CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。FIGS. 4A to 4C illustrate structural analysis by XRD of a CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor, and a diagram illustrating a limited-field electron diffraction pattern of the CAAC-OS. FIGS. nc−OSの断面TEM像。The cross-sectional TEM image of nc-OS. CAAC−OSの断面TEM像。Sectional TEM image of CAAC-OS. nc−OSの断面TEM像。The cross-sectional TEM image of nc-OS. CAAC−OSの断面TEM像。Sectional TEM image of CAAC-OS. ナノクラスターのサイズの分布を示す図。The figure which shows distribution of the size of a nanocluster. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. 六角形の回転角を導出する方法を説明する図。The figure explaining the method to derive | lead-out the rotation angle of a hexagon. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. CAAC−OSの平面TEM像およびその画像解析像。A planar TEM image of CAAC-OS and an image analysis image thereof. CAAC−OSの平面TEM像の画像解析像。Image analysis image of planar TEM image of CAAC-OS. CAAC−OSの平面TEM像の画像解析像および変形率を示す図。The figure which shows the image-analysis image and deformation rate of the plane TEM image of CAAC-OS. ボロノイ図の作成方法を説明する図。The figure explaining the creation method of a Voronoi diagram. ボロノイ図、およびボロノイ領域の形状の割合を示す図。The Voronoi diagram and the figure which shows the ratio of the shape of a Voronoi area | region. CAAC−OSの平面TEM像。Planar TEM image of CAAC-OS. CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of CAAC-OS. CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of CAAC-OS. CAAC−OSの断面TEM像。Sectional TEM image of CAAC-OS. CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of CAAC-OS. CAAC−OSの電子回折パターンを示す図。The figure which shows the electron diffraction pattern of CAAC-OS. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。4A to 4C illustrate a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。10A to 10D illustrate an example of a method for manufacturing a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。10A to 10D illustrate an example of a method for manufacturing a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。10A to 10D illustrate an example of a method for manufacturing a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。10A to 10D illustrate an example of a method for manufacturing a transistor according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の回路図。FIG. 10 is a circuit diagram of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の回路図及び断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a circuit diagram and a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。8A and 8B illustrate a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。5A and 5B are a graph and a circuit diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。4A and 4B are a block diagram, a circuit diagram, and a waveform diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。FIG. 6 is a top view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。FIG. 6 is a top view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのフローチャート、および半導体装置を示す斜視図。FIGS. 3A and 3B are a flowchart for illustrating one embodiment of the present invention and a perspective view illustrating a semiconductor device. FIGS. 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。FIG. 11 is a perspective view illustrating an electronic device according to one embodiment of the present invention. 本実施例に係るCAAC−OSのHAADF−STEM像。The HAADF-STEM image of CAAC-OS which concerns on a present Example. 本実施例に係るXRDを用いて結晶性評価を行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed crystallinity evaluation using XRD which concerns on a present Example. 本実施例に係るXRDを用いて結晶性評価を行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed crystallinity evaluation using XRD which concerns on a present Example. 本実施例に係るIGZO膜の断面TEM像。The cross-sectional TEM image of the IGZO film which concerns on a present Example. 本実施例に係るIGZO膜のホール移動度を示すグラフ。The graph which shows the hole mobility of the IGZO film which concerns on a present Example. 本実施例に係る試料4の断面TEM像、HAADF−STEM像及びEDXプロファイル。Sectional TEM image, HAADF-STEM image, and EDX profile of sample 4 according to this example. 本実施例に係る試料5の断面TEM像。The cross-sectional TEM image of the sample 5 which concerns on a present Example. 本実施例に係る試料5の断面TEM像及び電子回折パターン。The cross-sectional TEM image and electron diffraction pattern of the sample 5 which concern on a present Example. 本実施例に係る偏光XANES測定の試料の配置を示す図。The figure which shows arrangement | positioning of the sample of the polarization | polarized-light XANES measurement which concerns on a present Example. 本実施例に係る偏光XANES測定で得られたX線吸収スペクトル。The X-ray absorption spectrum obtained by the polarization | polarized-light XANES measurement which concerns on a present Example. 本実施例に係るX線吸収スペクトルのピークの相対値を示す図。The figure which shows the relative value of the peak of the X-ray absorption spectrum which concerns on a present Example. 本実施例に係るXRDスペクトル。The XRD spectrum which concerns on a present Example. 本実施例に係る偏光XANES測定で得られたX線吸収スペクトル。The X-ray absorption spectrum obtained by the polarization | polarized-light XANES measurement which concerns on a present Example. 本実施例に係るシミュレーションに用いたInGaZnOの結晶モデル。The crystal model of InGaZnO 4 used in the simulation according to this example. 本実施例に係るシミュレーションで得られたスペクトル。The spectrum obtained by the simulation which concerns on a present Example. 本実施例に係るホール移動度とキャリア密度の相関を示すグラフ。The graph which shows the correlation of the hole mobility and carrier density which concern on a present Example.

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。なお、異なる符合の構成要素の記載を参照する場合、参照された構成要素の厚さ、組成、構造または形状などについての記載を適宜用いることができる。  Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in describing the structure of the present invention with reference to drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings. In addition, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and there is a case where it does not attach a code in particular. In addition, when referring to the description of the component of a different code | symbol, the description about the thickness of the referred component, a composition, a structure, or a shape can be used suitably.

なお、図において、大きさ、膜(層)の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。  Note that the size, the thickness of films (layers), or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity.

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

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

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

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

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

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

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。  Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。  The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。  Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different). For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

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

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

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

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

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。  In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

なお、明細書において、半導体と記載する場合、酸化物半導体と読み替えることができる。半導体としては、ほかにもシリコン、ゲルマニウムなどの第14族半導体、炭化シリコン、ケイ化ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、などの化合物半導体、および有機半導体を用いることができる。  Note that in the specification, the term “semiconductor” can be read as “oxide semiconductor”. Other semiconductors include Group 14 semiconductors such as silicon and germanium, compound semiconductors such as silicon carbide, germanium silicide, gallium arsenide, indium phosphide, zinc selenide, and cadmium sulfide, and organic semiconductors. Can do.

なお、明細書において、単に酸化物と記載する場合、酸化物半導体、酸化物絶縁体または酸化物導電体と読み替えることができる。  Note that in the specification, the term “oxide” can be read as an oxide semiconductor, an oxide insulator, or an oxide conductor.

(実施の形態1)
<成膜方法>
以下では、スパッタリング法によるCAAC−OSの成膜モデルの一例について説明する。
(Embodiment 1)
<Film formation method>
An example of a CAAC-OS film formation model by a sputtering method is described below.

一例として、図1(A)に、InMZnO(元素Mは、例えばアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ)の結晶構造を示す。なお、図1(A)は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZnOの結晶構造である。図1(A)に示すように、InMZnOは、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、In−O層が1に対し、M−Zn−O層が2になる。ここで、In−O層は、インジウムと、酸素を含む層であり、酸化物であるInOを含んでいるということもできる。また、M−Zn−O層は、元素Mと、亜鉛と、酸素を含む層であり、酸化物である(M,Zn)O、(例えば、(Ga,Zn)Oなど)を含んでいるということもできる。この場合、元素Mと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。As an example, FIG. 1A illustrates a crystal structure of InMZnO 4 (the element M is, for example, aluminum, gallium, yttrium, or tin). Note that FIG. 1A illustrates a crystal structure of InMZnO 4 when observed from a direction parallel to the b-axis. As shown in FIG. 1A, InMZnO 4 has a layered crystal structure (also referred to as a layered structure), with an In—O layer of 1 and an M—Zn—O layer of 2. Here, the In—O layer is a layer containing indium and oxygen, and can also be said to contain InO 2 that is an oxide. The M-Zn-O layer is a layer containing the element M, zinc, and oxygen, and contains (M, Zn) O that is an oxide (for example, (Ga, Zn) O). It can also be said. In this case, the ratio of the element M and zinc shall be equal. The element M and zinc can be substituted and the arrangement is irregular.

図1(A)に示す結晶構造に含まれるいろいろな結晶面について劈開エネルギーを算出したところ、図1(A)に示す劈開面25において、劈開エネルギーが最も小さくなることが分かった。劈開面25は、近接する二つのM−Zn−O層に挟まれた面であり、InMZnO結晶の(001)面に対応する。なお、InMZnOの結晶構造の劈開エネルギーの詳細については、後述する。When the cleavage energy was calculated for various crystal planes included in the crystal structure shown in FIG. 1A, it was found that the cleavage energy was the smallest in the cleavage plane 25 shown in FIG. The cleavage plane 25 is a plane sandwiched between two adjacent M—Zn—O layers, and corresponds to the (001) plane of the InMZnO 4 crystal. Details of the cleavage energy of the crystal structure of InMZnO 4 will be described later.

劈開面25を挟んで位置する二つのM−Zn−O層では、図1(A)に示すように、酸素原子と酸素原子が向かい合うように位置している。酸素原子同士がクーロン力により反発するために、近接する二つのM−Zn−O層間の結合エネルギーが弱くなり、劈開面25が形成されている。  In the two M-Zn-O layers positioned with the cleavage plane 25 interposed therebetween, the oxygen atoms and the oxygen atoms are positioned so as to face each other as shown in FIG. Since oxygen atoms repel each other due to Coulomb force, the binding energy between two adjacent M-Zn-O layers becomes weak, and a cleavage plane 25 is formed.

このように、劈開エネルギーが小さい劈開面25は、表面エネルギーも同様に小さくなる。よって、表面にM−Zn−O層が位置する平板状の構造がエネルギー的に安定になると推測される。このような構造のクラスターを、本明細書ではナノクラスターと呼ぶことにする。その一例として、図1(B)にナノクラスター20をc軸に垂直な方向から見た構造を示す。また、図1(C)にナノクラスター20をc軸に平行な方向から見た構造を示す。  Thus, the cleavage surface 25 having a small cleavage energy also has a small surface energy. Therefore, it is estimated that the plate-like structure in which the M—Zn—O layer is located on the surface is stable in terms of energy. A cluster having such a structure is referred to as a nanocluster in this specification. As an example, FIG. 1B shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction perpendicular to the c-axis. FIG. 1C shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction parallel to the c-axis.

図1(B)に示すように、例えば、ナノクラスター20は二つのM−Zn−O層と、その間に位置するIn−O層で構成される。また、図1(A)に示すように、ナノクラスター20は、InMZnOの結晶構造中の二つの劈開面25に挟まれた部分に対応している。As shown in FIG. 1B, for example, the nanocluster 20 includes two M-Zn-O layers and an In-O layer positioned therebetween. Further, as shown in FIG. 1A, the nanocluster 20 corresponds to a portion sandwiched between two cleavage planes 25 in the crystal structure of InMZnO 4 .

ナノクラスター20は、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状のクラスターである。または、ナノクラスター20は、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状のクラスターである。ただし、ナノクラスター20の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形(例えば、正三角形)が2個合わさった四角形(例えば、ひし形)となる場合もある。例えば、六角形が変形して、五角形または七角形などの形状になる場合もある。  The nanocluster 20 is a flat cluster having a hexagonal plane, for example, a regular hexagonal plane. Alternatively, the nanocluster 20 is a flat cluster having a plane of a triangle, for example, an equilateral triangle. However, the shape of the nanocluster 20 is not limited to a triangle or a hexagon. For example, there are cases where a plurality of triangles are combined. For example, there may be a quadrangle (for example, a rhombus) in which two triangles (for example, regular triangles) are combined. For example, the hexagon may be deformed into a pentagon or heptagon shape.

ナノクラスター20は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。例えば、ナノクラスター20は、厚さを0.4nm以上1nm以下、好ましくは0.6nm以上0.8nm以下とする。また、例えば、ナノクラスター20は、幅を1nm以上100nm以下、好ましくは2nm以上50nm以下、さらに好ましくは3nm以上30nm以下とする。  The thickness of the nanocluster 20 is determined according to the type of film forming gas. For example, the nanocluster 20 has a thickness of 0.4 nm to 1 nm, preferably 0.6 nm to 0.8 nm. Further, for example, the nanocluster 20 has a width of 1 nm to 100 nm, preferably 2 nm to 50 nm, and more preferably 3 nm to 30 nm.

スパッタ法を用いて、InMZnOなどの酸化物膜を成膜する場合、基板または下地膜の表面にナノクラスターが形成され、当該ナノクラスターが横方向に成長し、上記CAAC−OSなどが形成されると考えられる。以下に、ナノクラスターの形成を介するCAAC−OSの成長メカニズムについて説明する。When an oxide film such as InMZnO 4 is formed by a sputtering method, nanoclusters are formed on the surface of the substrate or the base film, and the nanoclusters are grown in the lateral direction to form the CAAC-OS or the like. It is thought. The CAAC-OS growth mechanism through formation of nanoclusters is described below.

図2及び図3を用いて、ターゲット33からナノクラスター20が劈開するモデルについて説明する。ここで、図2はスパッタ装置の成膜室を示している。図2に示すように、成膜室内にはターゲット33が設けられている。ターゲット33は、バッキングプレートに接着して設けられ、バッキングプレートを介してマグネットと重なるように配置されることが好ましい。  A model in which the nanocluster 20 is cleaved from the target 33 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Here, FIG. 2 shows a film forming chamber of the sputtering apparatus. As shown in FIG. 2, a target 33 is provided in the film forming chamber. It is preferable that the target 33 is provided by being bonded to the backing plate and disposed so as to overlap the magnet via the backing plate.

成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、酸素、アルゴン、または酸素を5体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。なお、成膜ガスは水などの不純物が含まれないことが好ましく、例えば、成膜ガスに含まれる水分子が0.5sccm未満とすればよい。ここで、ターゲット33側に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマ34を確認することができる。なお、ターゲット33の近傍にはマグネットの磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン21が生じる。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。イオン21は、例えば、酸素の陽イオン(O)やアルゴンの陽イオン(Ar)などである。The film formation chamber is mostly filled with a film forming gas (for example, oxygen, argon, or a mixed gas containing oxygen at a ratio of 5% by volume or more), and is 0.01 Pa to 100 Pa, preferably 0.1 Pa to 10 Pa. Controlled. Note that the deposition gas preferably does not contain impurities such as water. For example, water molecules contained in the deposition gas may be less than 0.5 sccm. Here, by applying a voltage of a certain level or higher to the target 33 side, discharge starts and the plasma 34 can be confirmed. A high-density plasma region is formed near the target 33 by the magnetic field of the magnet. In the high-density plasma region, ions 21 are generated by ionizing the deposition gas. A sputtering method that uses a magnetic field to increase the deposition rate is called a magnetron sputtering method. The ion 21 is, for example, an oxygen cation (O + ) or an argon cation (Ar + ).

ターゲット33は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面25が含まれることが好ましい。例えば、図1(A)に示すInMZnO(元素Mは、例えばアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ)結晶が、ターゲット33に含まれることが好ましい。なお、ターゲット33には、シリコンなどの不純物が含まれないことが好ましく、例えば、ターゲット33に含まれる酸化シリコンは2重量%未満、好ましくは0.2重量%以下、より好ましくは0.02重量%未満とすればよい。It is preferable that the target 33 has a polycrystalline structure having a plurality of crystal grains, and any one of the crystal grains includes the cleavage plane 25. For example, the target 33 preferably includes an InMZnO 4 (element M is, for example, aluminum, gallium, yttrium, or tin) crystal shown in FIG. The target 33 is preferably free of impurities such as silicon. For example, silicon oxide contained in the target 33 is less than 2% by weight, preferably 0.2% by weight or less, more preferably 0.02% by weight. It may be less than%.

高密度プラズマ領域で生じたイオン21は、電界によってターゲット33側に加速され、やがてターゲット33と衝突する。このとき、劈開面25から平板状のクラスターである、ナノクラスター20が剥離する。なお、ナノクラスター20の剥離に伴い、ターゲット33から粒子23も弾き出される。粒子23は、原子1個または原子数個の集合体を有する。そのため、粒子23を原子状粒子(atomic particles)と呼ぶこともできる。なお、イオン21の衝突の衝撃によって、ナノクラスター20の構造に歪みが生じる場合がある。  The ions 21 generated in the high-density plasma region are accelerated to the target 33 side by the electric field and eventually collide with the target 33. At this time, the nanocluster 20, which is a flat cluster, is peeled from the cleavage plane 25. As the nanocluster 20 is peeled off, the particles 23 are also ejected from the target 33. The particle 23 has an aggregate of one atom or several atoms. For this reason, the particles 23 can also be called atomic particles. Note that the structure of the nanocluster 20 may be distorted by the impact of the collision of the ions 21.

ターゲットの表面における劈開の様子について、図3に示す断面図を用いて説明する。図3(A)は、劈開面25(破線部)を有するターゲット33の断面図である。ターゲット33にイオン21が衝突すると、劈開面25の端部から結合が切れ始める(図3(B)参照。)。ここで、劈開した面同士は、同じ極性の電荷が存在することによりクーロン力で反発し合う。クーロン力による反発が進行することで、結合の切れた領域が徐々に広がっていく。最終的には、ターゲット33からナノクラスター20が剥離する(図3(C)参照。)。  The state of cleavage on the surface of the target will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG. FIG. 3A is a cross-sectional view of the target 33 having the cleavage plane 25 (broken line portion). When the ions 21 collide with the target 33, the bond starts to break from the end of the cleavage plane 25 (see FIG. 3B). Here, the cleaved surfaces repel each other by the Coulomb force due to the presence of electric charges having the same polarity. As the repulsion due to the Coulomb force progresses, the disconnected region gradually expands. Eventually, the nanoclusters 20 peel from the target 33 (see FIG. 3C).

プラズマ34を通過したナノクラスター20および粒子23は、基板32の表面に達する。ここで、ナノクラスター20は平板状であるため、平面側を基板32の表面に向けて堆積しやすい。さらに、基板加熱を行うことで、ナノクラスター20をマイグレーションさせて平面側を基板32の表面に向けて堆積させやすくなる。なお、粒子23の一部は、質量が小さいため真空ポンプなどによって外部に排出される場合がある。また、基板32の上に下地絶縁膜などの絶縁体を設ける構成としてもよい。  The nanoclusters 20 and the particles 23 that have passed through the plasma 34 reach the surface of the substrate 32. Here, since the nanocluster 20 has a flat plate shape, it is easily deposited with the plane side facing the surface of the substrate 32. Furthermore, by heating the substrate, it becomes easy to migrate the nanoclusters 20 and deposit the planar side toward the surface of the substrate 32. Note that some of the particles 23 may be discharged to the outside by a vacuum pump or the like because of a small mass. Alternatively, an insulator such as a base insulating film may be provided over the substrate 32.

また、図2では、ターゲット33と基板32を対向させて表示していたが、本実施の形態に係る酸化物の成膜方法は必ずしもこれに限られるものではない。例えば、後述する図17及び図18に示すように、二つのターゲットを対向させて設け、その間に基板を配置するようにしてもよい。  In FIG. 2, the target 33 and the substrate 32 are shown facing each other, but the oxide film forming method according to this embodiment is not necessarily limited thereto. For example, as shown in FIGS. 17 and 18 to be described later, two targets may be provided to face each other, and a substrate may be disposed between them.

上記図2及び図3では、ターゲット33が複数の結晶粒を有するIn−M−Zn酸化物のような複合酸化物の多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面25が含まれる場合について説明した。本実施の形態に示す酸化物膜について、これとは異なる成長モデルも考えられる。例えば、以下に示す、自己組織化によってナノクラスターが形成される成長メカニズムも考えられる。  2 and 3, the target 33 has a polycrystalline structure of a complex oxide such as an In-M-Zn oxide having a plurality of crystal grains, and any one of the crystal grains includes a cleavage plane 25. Explained the case. A different growth model can be considered for the oxide film described in this embodiment. For example, the following growth mechanism in which nanoclusters are formed by self-organization can be considered.

例えば、図2及び図3に示す場合と異なり、図4に示すようなメカニズムでナノクラスター20が形成されることが推測される。ここで、図4に示すようなメカニズムでナノクラスター20が形成される場合も、図2に示す成膜室で成膜したときと同様の状態で成膜することができる。  For example, unlike the cases shown in FIGS. 2 and 3, it is assumed that the nanoclusters 20 are formed by the mechanism shown in FIG. Here, even when the nanoclusters 20 are formed by the mechanism shown in FIG. 4, the film formation can be performed in the same state as when the film is formed in the film formation chamber shown in FIG.

よって、上記と同様に、成膜室内は、ほとんどが成膜ガス(例えば、酸素、アルゴン、または酸素を5体積%以上の割合で含む混合ガス)で満たされ、0.01Pa以上100Pa以下、好ましくは0.1Pa以上10Pa以下に制御される。なお、成膜ガスは水などの不純物が含まれないことが好ましく、例えば、成膜ガスに含まれる水分子が0.5sccm未満とすればよい。  Therefore, in the same manner as described above, the deposition chamber is mostly filled with a deposition gas (for example, oxygen, argon, or a mixed gas containing oxygen at a ratio of 5% by volume or more), and is 0.01 Pa or more and 100 Pa or less, preferably Is controlled to 0.1 Pa or more and 10 Pa or less. Note that the deposition gas preferably does not contain impurities such as water. For example, water molecules contained in the deposition gas may be less than 0.5 sccm.

また、ターゲット33は、酸化インジウム、元素Mの酸化物および酸化亜鉛を有する混合物とすればよい。なお、ターゲット33には、シリコンなどの不純物が含まれないことが好ましく、例えば、ターゲット33に含まれる酸化シリコンは2重量%未満、好ましくは0.2重量%以下、より好ましくは0.02重量%未満とすればよい。  The target 33 may be a mixture containing indium oxide, an oxide of element M, and zinc oxide. The target 33 is preferably free of impurities such as silicon. For example, silicon oxide contained in the target 33 is less than 2% by weight, preferably 0.2% by weight or less, more preferably 0.02% by weight. It may be less than%.

図4に示す成膜方法は、基板32を加熱しながら行うことが好ましい。基板32の表面温度は、100℃以上500℃未満、好ましくは140℃以上450℃未満、さらに好ましくは170℃以上400℃未満とすればよい。  The film forming method shown in FIG. 4 is preferably performed while heating the substrate 32. The surface temperature of the substrate 32 may be 100 ° C. or higher and lower than 500 ° C., preferably 140 ° C. or higher and lower than 450 ° C., more preferably 170 ° C. or higher and lower than 400 ° C.

ターゲット33側に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマ34が発生し、イオン21が生じる。イオン21は、電界によってターゲット33側に加速され、やがてターゲット33と衝突する。このとき、ターゲット33から粒子23が弾き出される。粒子23は、原子1個または原子数個の集合体を有する。なお、粒子23は、イオン化される場合もある。また、粒子23の一部は、質量が小さいため真空ポンプなどによって外部に排出される場合がある。  By applying a voltage of a certain level or more to the target 33 side, discharge starts, plasma 34 is generated, and ions 21 are generated. The ions 21 are accelerated toward the target 33 by the electric field and eventually collide with the target 33. At this time, the particles 23 are ejected from the target 33. The particle 23 has an aggregate of one atom or several atoms. The particles 23 may be ionized. Further, some of the particles 23 may be discharged to the outside by a vacuum pump or the like because of a small mass.

ここで、ターゲット33から弾き出された粒子23は、基板32の表面に堆積する(図4(A)参照。)。このとき、基板32を加熱しながらスパッタリングを行うことにより、基板32の表面に堆積した粒子23に熱的エネルギーを与えて、粒子23をマイグレーションさせることができる。つまり、粒子23が基板32の表面に堆積することと並行して、基板32表面に堆積された他の粒子23がマイグレーションを起こすと考えられる。  Here, the particles 23 ejected from the target 33 are deposited on the surface of the substrate 32 (see FIG. 4A). At this time, by performing sputtering while heating the substrate 32, thermal energy is given to the particles 23 deposited on the surface of the substrate 32, and the particles 23 can be migrated. That is, it is considered that other particles 23 deposited on the surface of the substrate 32 cause migration in parallel with the deposition of the particles 23 on the surface of the substrate 32.

粒子23がマイグレーションすることにより、基板32に堆積した粒子23はエネルギー的に安定な配置に整列していく。上記の表面エネルギーが低い劈開面25が基板32に接してM−Zn−O層が形成され、その上にIn−O層が形成され、さらに表面エネルギーが低い劈開面25が表面に露出するようにM−Zn−O層が形成される。このようにして、c軸に垂直な面が表面に現れた平板状のクラスターであるナノクラスター20が形成される(図4(B)参照。)。この工程では、基板32から与えられた熱エネルギーによって、粒子23が秩序性の高い結晶構造を形成するように、自律して整列している。この点からナノクラスター20は自己組織化により形成されたということもできる。  As the particles 23 migrate, the particles 23 deposited on the substrate 32 are aligned in an energetically stable arrangement. The cleavage surface 25 having a low surface energy is in contact with the substrate 32 to form an M—Zn—O layer, an In—O layer is formed thereon, and the cleavage surface 25 having a lower surface energy is exposed on the surface. An M-Zn-O layer is formed. In this manner, nanoclusters 20 that are flat-shaped clusters with surfaces perpendicular to the c-axis appearing on the surface are formed (see FIG. 4B). In this step, the particles 23 are autonomously aligned so that the thermal energy given from the substrate 32 forms a highly ordered crystal structure. From this point, it can be said that the nanocluster 20 is formed by self-organization.

なお、上記のように自己組織化によりナノクラスター20を形成する場合、ターゲット33として酸化インジウム、元素Mの酸化物および酸化亜鉛を有する混合物のターゲット用いても、ナノクラスター20を形成することができる。  When the nanoclusters 20 are formed by self-organization as described above, the nanoclusters 20 can also be formed by using a target of a mixture containing indium oxide, an oxide of element M and zinc oxide as the target 33. .

また、基板32として、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板などの、被形成面が特定の結晶面である基板(単結晶基板など)を用いることが好ましい。基板32として単結晶基板などを用いることで、ナノクラスター20の結晶性向上を図ることができる。  The substrate 32 is preferably a substrate (such as a single crystal substrate) whose surface to be formed is a specific crystal plane, such as an yttria stabilized zirconia (YSZ) substrate. By using a single crystal substrate or the like as the substrate 32, the crystallinity of the nanocluster 20 can be improved.

次に、以上の成長メカニズムに従って、基板32表面に形成されたナノクラスター20が成長するモデルについて図5を用いて説明する。  Next, a model in which the nanoclusters 20 formed on the surface of the substrate 32 grow according to the above growth mechanism will be described with reference to FIG.

まず、上記のモデルのいずれかに従って、複数のナノクラスター20が基板32の表面に形成される。ここで、複数のナノクラスター20は、互いにa軸及びb軸の向きがランダムになる。  First, a plurality of nanoclusters 20 are formed on the surface of the substrate 32 according to any of the above models. Here, the plurality of nanoclusters 20 have random a-axis and b-axis directions.

次に、粒子23が基板32の表面に達する。詳細は後述するが、粒子23は、ナノクラスター20の上面より側面に結合しやすい。よって、粒子23は、ナノクラスター20の形成されていない領域を埋めるように、ナノクラスター20の側面に優先的に付着する。粒子23は、結合手が活性状態となることで、ナノクラスター20と化学的に連結して横成長部22を形成する(図5(A)参照。)。粒子23は、ナノクラスター20とナノクラスター20の間の領域に入り込むということもできる。なお、ナノクラスター20は、図5(A)に示すように、二つのM−Zn−O層と、その間に位置するIn−O層で構成される。  Next, the particles 23 reach the surface of the substrate 32. Although details will be described later, the particles 23 are more likely to be bonded to the side surface than the upper surface of the nanocluster 20. Accordingly, the particles 23 preferentially adhere to the side surfaces of the nanoclusters 20 so as to fill the regions where the nanoclusters 20 are not formed. The particle 23 is chemically connected to the nanocluster 20 to form a laterally grown portion 22 when the bond is in an active state (see FIG. 5A). It can also be said that the particles 23 enter the region between the nanoclusters 20. Note that the nanocluster 20 includes two M—Zn—O layers and an In—O layer positioned therebetween as shown in FIG.

横成長部22は、ナノクラスター20とナノクラスター20の間の領域26((領域26は、Lateral Growth Buffer Region(LGBR)と呼称することもできる。)を埋めるように横方向に成長(ラテラル成長ともいう。)する。ここで、横方向とは、例えばナノクラスター20中のc軸に垂直な方向を指す。  The lateral growth portion 22 grows in a lateral direction (lateral growth) so as to fill a region 26 between the nanoclusters 20 (the region 26 may also be referred to as a lateral growth buffer region (LGBR)). Here, the lateral direction refers to a direction perpendicular to the c-axis in the nanocluster 20, for example.

ここで、450℃以下、好ましくは400℃以下程度の基板加熱により、ナノクラスター20の横成長部22に粒子23が付着し、粒子23にLGBRを介して拡散した酸素が付着し、再び粒子23が同様に付着する、という反応が起きやすくなる。この繰り返しにより横方向の固相成長が起きていると推定される。このようなナノクラスターの横方向の成長を自己組織化と呼ぶこともできる。  Here, by heating the substrate at 450 ° C. or lower, preferably about 400 ° C. or lower, the particles 23 adhere to the laterally grown portions 22 of the nanoclusters 20, oxygen diffused via LGBR adheres to the particles 23, and the particles 23 again. The reaction of adhering in the same manner is likely to occur. It is presumed that the solid-phase growth in the horizontal direction is caused by this repetition. Such lateral growth of nanoclusters can also be called self-organization.

さらに横成長部22がラテラル成長することで、横成長部22が互いに衝突する。横成長部22が衝突した部分を連結部27として隣接するナノクラスター20が連結される(図5(B)参照。)。つまり、領域26中に連結部27が形成される。これは、粒子23が、ナノクラスター20の側面に横成長部22を形成し、横方向に成長することで、ナノクラスター20間の領域26を充填しているということもできる。このように、ナノクラスター20の形成されていない領域を埋めるまで横成長部22が形成される。このメカニズムは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法の堆積メカニズムに類似する。  Furthermore, the lateral growth part 22 collides with each other because the lateral growth part 22 grows laterally. Adjacent nanoclusters 20 are connected with a portion where the laterally growing portion 22 collides as a connecting portion 27 (see FIG. 5B). That is, the connecting portion 27 is formed in the region 26. It can also be said that the particles 23 form the lateral growth portions 22 on the side surfaces of the nanoclusters 20 and grow in the lateral direction, thereby filling the regions 26 between the nanoclusters 20. In this manner, the lateral growth portion 22 is formed until the region where the nanocluster 20 is not formed is filled. This mechanism is similar to the deposition mechanism of the atomic layer deposition (ALD) method.

したがって、ナノクラスター20がそれぞれ異なる方向を向けて形成される場合でも、ナノクラスター20とナノクラスター20の隙間を粒子23がラテラル成長しながら埋めるため、明確な結晶粒界が形成されることがない。  Therefore, even when the nanoclusters 20 are formed in different directions, the gap between the nanoclusters 20 and the nanoclusters 20 is filled while the particles 23 are laterally grown, so that a clear crystal grain boundary is not formed. .

ここで、InMZnOの結晶構造は図1(A)に示すように、層状結晶構造が幅広い組成範囲で安定に存在しており、金属原子と酸素原子の間の結合の強さや平衡距離は、それぞれの金属原子で異なる。そのためInMZnOの結晶構造は、歪みに対しても寛容な構造を取ると推測される。よって、ナノクラスター20間を、粒子23が滑らかに連結(アンカリング)するため、連結部27において単結晶とも多結晶とも異なる結晶構造が形成される。言い換えると、ナノクラスター20の間の連結部27に歪みを有する結晶構造が形成される。これにより、例えば、連結部27において、上面の形状が六角形だった結晶構造が変形し、五角形または七角形になる場合もある。このように、ナノクラスター20の間を埋める領域は、歪んだ結晶領域であるため、該領域を指して非晶質構造と呼ぶのは適切ではないと考えられる。Here, as shown in FIG. 1A, the crystal structure of InMZnO 4 is a layered crystal structure that stably exists in a wide composition range, and the bond strength and equilibrium distance between metal atoms and oxygen atoms are as follows. Different for each metal atom. Therefore, it is presumed that the crystal structure of InMZnO 4 takes a structure that is tolerant to strain. Therefore, since the particles 23 are smoothly connected (anchored) between the nanoclusters 20, a crystal structure different from the single crystal and the polycrystal is formed in the connection portion 27. In other words, a crystal structure having a strain is formed at the connecting portion 27 between the nanoclusters 20. Thereby, for example, in the connecting portion 27, the crystal structure whose upper surface has a hexagonal shape may be deformed into a pentagon or heptagon. As described above, since the region between the nanoclusters 20 is a distorted crystal region, it is considered inappropriate to refer to the region as an amorphous structure.

次に、新たなナノクラスター20が、平面側を基板32の表面に向けて形成される。そして、粒子23が、ナノクラスター20の形成されていない領域を埋めるように堆積することで横成長部22を形成する(図5(C)参照。)。こうして、粒子23がナノクラスター20の側面に付着し、横成長部22がラテラル成長することで、二層目のナノクラスター20間を連結させる(図5(D)参照。)。m層目(mは二以上の整数。)が形成されるまで成膜は続き、積層体を有する薄膜構造の酸化物が形成される。このようにして、基板(または下地絶縁膜)の平坦部35aの上に酸化物を成膜すると、平坦部35aの上面に略垂直なc軸方向に配向するナノクラスター20が形成される(図6(A)参照。)。また、基板(または下地絶縁膜)の凸部35bの上に酸化物を成膜しても、凸部35bの上面に略垂直なc軸方向に配向するナノクラスター20が形成される(図6(B)参照。)。なお、図6(A)(B)に示すように、一部にナノクラスター20とナノクラスター20との間に傾きが生じ配向が乱れる場合もある。  Next, new nanoclusters 20 are formed with the planar side facing the surface of the substrate 32. Then, the particles 23 are deposited so as to fill a region where the nanoclusters 20 are not formed, thereby forming the lateral growth portion 22 (see FIG. 5C). Thus, the particles 23 adhere to the side surfaces of the nanoclusters 20 and the laterally grown portions 22 grow laterally, thereby connecting the nanoclusters 20 in the second layer (see FIG. 5D). Film formation continues until the m-th layer (m is an integer of 2 or more) is formed, and an oxide having a thin film structure having a stacked body is formed. Thus, when an oxide film is formed on the flat portion 35a of the substrate (or the base insulating film), nanoclusters 20 oriented in the c-axis direction substantially perpendicular to the upper surface of the flat portion 35a are formed (FIG. 6 (A).) Further, even when an oxide film is formed on the convex portion 35b of the substrate (or the base insulating film), the nanocluster 20 oriented in the c-axis direction substantially perpendicular to the upper surface of the convex portion 35b is formed (FIG. 6). (See (B).) Note that, as shown in FIGS. 6A and 6B, in some cases, an inclination may be generated between the nanoclusters 20 and the nanoclusters 20 to disturb the orientation.

なお、ナノクラスター20の形成は、基板32の表面温度などによっても変化する。例えば、基板32の表面温度が高いと、粒子23がナノクラスター20の表面でマイグレーションを起こす。その結果、粒子23の結合手がより活性化し、横成長部22の形成を促進させることができる。CAAC−OSを成膜する際の基板32の表面温度は、100℃以上500℃未満、好ましくは140℃以上450℃未満、さらに好ましくは170℃以上400℃未満である。したがって、基板32として第8世代以上の大面積基板を用いた場合でも、CAAC−OSの成膜に起因した反りなどはほとんど生じないことがわかる。また、ナノクラスター20のマイグレーションにより、ナノクラスター20間が、粒子23を介さずに連結する割合が増加するため、より配向性の高いCAAC−OSとなる場合がある。  Note that the formation of the nanoclusters 20 also varies depending on the surface temperature of the substrate 32. For example, when the surface temperature of the substrate 32 is high, the particles 23 migrate on the surface of the nanocluster 20. As a result, the bonds of the particles 23 are more activated, and the formation of the lateral growth portions 22 can be promoted. The surface temperature of the substrate 32 in forming the CAAC-OS is 100 ° C. or higher and lower than 500 ° C., preferably 140 ° C. or higher and lower than 450 ° C., more preferably 170 ° C. or higher and lower than 400 ° C. Therefore, even when a large-area substrate of the eighth generation or higher is used as the substrate 32, it can be seen that almost no warpage or the like due to the formation of the CAAC-OS film occurs. Further, migration of the nanoclusters 20 increases the proportion of the nanoclusters 20 that are connected without the particles 23 therebetween, which may result in a CAAC-OS with higher orientation.

一方、基板32の表面温度が低いと、ナノクラスター20が基板32の表面でマイグレーションを起こしにくくなる。その結果、ナノクラスター20同士が積み重なることで配向性の低いnc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)などとなる。nc−OSでは、ナノクラスター20は一定間隔を空けて堆積する可能性がある。したがって、配向性は低いものの、僅かに規則性を有することにより、非晶質酸化物半導体と比べて緻密な構造となる。  On the other hand, when the surface temperature of the substrate 32 is low, the nanocluster 20 is less likely to cause migration on the surface of the substrate 32. As a result, the nanoclusters 20 are stacked to form an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) with low orientation. In the nc-OS, the nanoclusters 20 may be deposited at regular intervals. Therefore, although the orientation is low, a slight regularity results in a dense structure as compared with an amorphous oxide semiconductor.

また、CAAC−OSにおいて、ナノクラスター同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなナノクラスターが形成される場合がある。一つの大きなナノクラスターの内部は単結晶構造を有する。例えば、ナノクラスターの大きさが、上面から見て10nm以上200nm以下、15nm以上100nm以下、または20nm以上50nm以下となる場合がある。  In CAAC-OS, a gap between nanoclusters may be extremely small, so that one large nanocluster may be formed. The inside of one large nanocluster has a single crystal structure. For example, the size of the nanocluster may be 10 nm to 200 nm, 15 nm to 100 nm, or 20 nm to 50 nm when viewed from above.

以上のような成膜モデルにより、ナノクラスターが基板の表面に堆積していくと考えられる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、CAAC−OSの成膜が可能であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構である上述した成膜モデルの妥当性が高いことがわかる。また、上述した成膜モデルであるため、CAAC−OSおよびnc−OSは、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能であることがわかる。例えば、基板の表面(被形成面)の構造が非晶質構造(例えば非晶質酸化シリコン)であっても、CAAC−OSを成膜することは可能である。  It is considered that nanoclusters are deposited on the surface of the substrate by the film formation model as described above. Since the CAAC-OS film can be formed even when the formation surface does not have a crystal structure, it can be seen that the above-described film formation model, which is a growth mechanism different from epitaxial growth, has high validity. Further, since the above-described film formation model is used, it can be seen that the CAAC-OS and the nc-OS can form a uniform film even on a large-area glass substrate or the like. For example, the CAAC-OS can be formed even when the surface (formation surface) of the substrate has an amorphous structure (eg, amorphous silicon oxide).

また、被形成面である基板の表面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってナノクラスターが配列することがわかる。  Further, it can be seen that even when the surface of the substrate that is the formation surface has irregularities, the nanoclusters are arranged along the shape.

また、上述した成膜モデルより、結晶性の高いCAAC−OSを成膜するためには以下のようにすればよいことがわかる。まず、平均自由行程を長くするために、より高真空状態で成膜する。次に、基板近傍における損傷を低減するために、プラズマのエネルギーを弱くする。次に、被形成面に熱エネルギーを加え、プラズマによる損傷を成膜するたびに治癒する。  Further, from the above-described film formation model, it can be seen that the following may be performed in order to form a highly crystalline CAAC-OS. First, in order to lengthen the mean free path, the film is formed in a higher vacuum state. Next, in order to reduce damage in the vicinity of the substrate, the plasma energy is weakened. Next, thermal energy is applied to the surface to be formed, and the plasma damage is cured each time the film is formed.

ここまでは、ナノクラスターが平板状である場合について説明した。例えば、ナノクラスターがサイコロ状や柱状のような幅の小さなナノクラスターである場合、基板の表面に達したナノクラスターは様々な向きで堆積することになる。そして、ナノクラスターは、それぞれが堆積した向きのまま側面に粒子が付着し、横成長部がラテラル成長を起こす。その結果、得られる薄膜における結晶の配向性が一様にならない可能性もある。  So far, the case where the nanocluster has a flat plate shape has been described. For example, when the nanocluster is a nanocluster having a small width such as a dice or a column, the nanocluster reaching the surface of the substrate is deposited in various directions. Then, in the nanocluster, the particles adhere to the side surfaces in the direction in which they are deposited, and the laterally grown portion undergoes lateral growth. As a result, the crystal orientation in the obtained thin film may not be uniform.

<劈開エネルギー>
以下では、InMZnOの結晶構造の劈開エネルギーについて計算した結果について説明する。以下では元素MがGaである場合について計算を行った。なお、劈開エネルギーとは、結晶をある結晶面で劈開するのに必要な単位面積当たりのエネルギーを指す。
<Cleavage energy>
Below, the result calculated about the cleavage energy of the crystal structure of InMZnO 4 is demonstrated. In the following, the calculation was performed for the case where the element M is Ga. The cleavage energy refers to energy per unit area necessary for cleaving a crystal at a certain crystal plane.

まずは、InGaZnOの結晶の劈開面について図9(A)乃至図9(D)を用いて説明する。ここで、図9(A)は、b軸に垂直な方向から見たInGaZnOの結晶のモデルであり、結晶面A、結晶面C、結晶面Dを表示している。また、図9(B)は、c軸に垂直な方向から見たInGaZnOの結晶のモデルであり、結晶面E、結晶面Fを表示している。また、図9(C)は、c軸に垂直な方向から見たInGaZnOの結晶のモデルであり、結晶面A、結晶面B、結晶面Dを表示している。また、図9(D)は、図9(B)に示す結晶面F近傍の拡大図である。First, a cleavage plane of an InGaZnO 4 crystal will be described with reference to FIGS. 9A to 9D. Here, FIG. 9A is a model of an InGaZnO 4 crystal viewed from a direction perpendicular to the b-axis, and shows a crystal plane A, a crystal plane C, and a crystal plane D. FIG. 9B is a model of InGaZnO 4 crystal viewed from a direction perpendicular to the c-axis, and shows a crystal plane E and a crystal plane F. FIG. 9C is a model of an InGaZnO 4 crystal viewed from a direction perpendicular to the c-axis, and shows a crystal plane A, a crystal plane B, and a crystal plane D. FIG. 9D is an enlarged view of the vicinity of the crystal plane F shown in FIG.

InGaZnOの結晶の各結晶面における劈開に必要なエネルギーを、第一原理計算により算出した。なお、計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム(CASTEP)を用いた。原子の擬ポテンシャルにはPAW(Projector Augmented Wave)法を用いた。また、交換相関ポテンシャルにはPBEsol(Perdew−Burke−Ernzerhof revised for solid)型の一般化勾配近似(GGA:Generallized Gradient Approximation)を用いた。また、カットオフエネルギーは800eVとした。The energy required for cleavage in each crystal plane of the InGaZnO 4 crystal was calculated by first-principles calculation. For the calculation, a pseudo-potential and a density functional program (CASTEP) using plane wave bases were used. A PAW (Projector Augmented Wave) method was used for the pseudopotential of atoms. Moreover, PBEsol (Perdew-Burke-Ernzerhof revised for solid) type generalized gradient approximation (GGA) was used for the exchange correlation potential. The cut-off energy was 800 eV.

図9に示したInGaZnOの結晶の構造をもとに、結晶面A乃至Fのいずれかで劈開したInGaZnO結晶のモデルを作成し、セルサイズを固定した構造最適化計算を行う。ここで、結晶面Aは、(100)面に対応する結晶面である(図9(A)及び図9(C)参照。)。結晶面Bは、(100)面と交わるダングリングボンドの単位面積当たりの数が最小になるように表面構造を切り取るようにした結晶面である(図9(C)参照。)。結晶面Cは、(110)面に対応する結晶面である(図9(A)参照。)。結晶面Dは、(201)面に対応する結晶面である(図9(A)及び図9(C)参照。)。結晶面Eは、(001)面に対応しており、Ga−Zn−O層とIn−O層の間に位置する結晶面である。(図9(B)参照。)。結晶面Fは、(001)面に対応しており、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層の間に位置する結晶面である。(図9(B)参照。)。結晶面Fでは、図9(D)に示すように、2つの酸素原子の層が向かい合うように位置している。Based on the structure of the InGaZnO 4 crystal shown in FIG. 9, a model of the InGaZnO 4 crystal cleaved at any one of the crystal planes A to F is created, and the structure optimization calculation is performed with the cell size fixed. Here, the crystal plane A is a crystal plane corresponding to the (100) plane (see FIGS. 9A and 9C). The crystal plane B is a crystal plane in which the surface structure is cut so that the number per unit area of dangling bonds intersecting with the (100) plane is minimized (see FIG. 9C). The crystal plane C is a crystal plane corresponding to the (110) plane (see FIG. 9A). The crystal plane D is a crystal plane corresponding to the (201) plane (see FIGS. 9A and 9C). The crystal plane E corresponds to the (001) plane and is a crystal plane located between the Ga—Zn—O layer and the In—O layer. (See FIG. 9B.) The crystal plane F corresponds to the (001) plane and is a crystal plane located between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer. (See FIG. 9B.) On the crystal plane F, as shown in FIG. 9D, two oxygen atom layers are positioned so as to face each other.

以上のような条件で、各面で劈開した際の劈開エネルギーσ[J/m]を式(1)を用いて算出する。Under the conditions as described above, the cleavage energy σ [J / m 2 ] when cleaved on each surface is calculated using Equation (1).

Figure 2017115209
Figure 2017115209

ここで、Ebulk[J]は結晶モデルのエネルギーであり、Ecll[J]は各面で劈開した表面モデルのエネルギーである。なお、結晶モデルのエネルギーは、セルサイズを含めた構造最適化を行った後に導出する。また、各面で劈開した表面モデルのエネルギーは、セルサイズを固定した状態で、原子配置の構造最適化を行った後に導出する。また、結晶モデルのエネルギー及び各面で劈開した表面モデルのエネルギーは、それぞれのモデルに含まれる原子と電子に対して、電子の運動エネルギーと、原子間、原子−電子間、および電子間の相互作用と、を考慮したエネルギーである。また、Scl[m]は、劈開面の面積である。Here, E bulk [J] is the energy of the crystal model, and E cl [J] is the energy of the surface model cleaved on each face. Note that the energy of the crystal model is derived after structural optimization including the cell size. In addition, the energy of the surface model cleaved on each surface is derived after structural optimization of the atomic arrangement with the cell size fixed. In addition, the energy of the crystal model and the energy of the surface model cleaved on each face are the kinetic energy of electrons and the mutual relationship between atoms, atoms-electrons, and electrons. It is energy that takes into account the action. S cl [m 2 ] is the area of the cleavage plane.

計算の結果、結晶面Aの劈開エネルギーは3.45J/m、結晶面Bの劈開エネルギーは2.45J/m、結晶面Cの劈開エネルギーは2.23J/m、結晶面Dの劈開エネルギーは1.98J/m、結晶面Eの劈開エネルギーは3.56J/m、結晶面Fの劈開エネルギーは0.90J/mであることがわかった(下表参照。)。As a result of the calculation, the cleavage energy of the crystal plane A is 3.45 J / m 2 , the cleavage energy of the crystal plane B is 2.45 J / m 2 , the cleavage energy of the crystal plane C is 2.23 J / m 2 , and the crystal plane D It was found that the cleavage energy was 1.98 J / m 2 , the cleavage energy of crystal plane E was 3.56 J / m 2 , and the cleavage energy of crystal plane F was 0.90 J / m 2 (see the table below).

Figure 2017115209
Figure 2017115209

この計算により、図9に示したInGaZnOの結晶の構造において、結晶面Fにおける劈開エネルギーが最も低くなる。即ち、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層との間が最も劈開しやすい面であることがわかる。これは、図1(A)に示す劈開面25にも対応している。According to this calculation, the cleavage energy at the crystal plane F is the lowest in the InGaZnO 4 crystal structure shown in FIG. That is, it can be seen that the surface between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer is the most easily cleaved. This also corresponds to the cleavage plane 25 shown in FIG.

<ラテラル成長>
以下では、ナノクラスター20の横方向に粒子23が付着(結合または吸着ともいう。)し、ラテラル成長することを説明する。
<Lateral growth>
In the following, it will be described that the particles 23 adhere (also referred to as bonding or adsorption) in the lateral direction of the nanocluster 20 and laterally grow.

図7(A)、図7(B)、図7(C)、図7(D)および図7(E)は、ナノクラスター20の構造と金属イオンが付着する位置を示す図である。なお、ナノクラスター20としては、InMZnOの結晶構造から、化学量論的組成を保持しつつ、84個の原子を抜き出したクラスタモデルを仮定している。なお、以下では元素Mがガリウムである場合について説明する。また、図7(F)は、ナノクラスター20をc軸に平行な方向から見た構造を示す。図7(G)は、ナノクラスター20をa軸に平行な方向からみた構造を示す。FIG. 7A, FIG. 7B, FIG. 7C, FIG. 7D, and FIG. 7E are diagrams showing the structure of the nanocluster 20 and the positions where metal ions adhere. The nanocluster 20 is assumed to be a cluster model in which 84 atoms are extracted from the crystal structure of InMZnO 4 while maintaining the stoichiometric composition. Hereinafter, the case where the element M is gallium will be described. FIG. 7F shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction parallel to the c-axis. FIG. 7G shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction parallel to the a-axis.

金属イオンの付着する位置を、位置A、位置B、位置a、位置bおよび位置cで示す。なお、位置Aは、ナノクラスター20上面において、ガリウム1個、亜鉛2個で囲まれた格子間サイトの上方である。位置Bは、ナノクラスター20上面において、ガリウム2個、亜鉛1個で囲まれた格子間サイトの上方である。位置aは、ナノクラスター20側面のインジウムサイトである。位置bは、ナノクラスター20側面において、In−O層と、Ga−Zn−O層との間の格子間サイトである。位置cは、ナノクラスター20側面のガリウムサイトである。  Positions where metal ions adhere are indicated by position A, position B, position a, position b, and position c. The position A is above the interstitial site surrounded by one gallium and two zincs on the upper surface of the nanocluster 20. The position B is above the interstitial site surrounded by two galliums and one zinc on the upper surface of the nanocluster 20. The position a is an indium site on the side surface of the nanocluster 20. The position b is an interstitial site between the In—O layer and the Ga—Zn—O layer on the side surface of the nanocluster 20. The position c is a gallium site on the side surface of the nanocluster 20.

次に、仮定した位置A、位置B、位置a、位置bおよび位置cに金属イオンを配置した場合の相対エネルギーを第一原理計算によって評価した。第一原理計算には、VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)を用いた。また、交換相関ポテンシャルにはPBE(Perdew−Burke−Ernzerhof)型の一般化勾配近似(GGA:Generallized Gradient Approximation)を用い、イオンのポテンシャルにはPAW(Projector Augmented Wave)法を用いた。また、カットオフエネルギーは400eVとし、k点サンプリングはΓ点のみとした。下表に、位置A、位置B、位置a、位置bおよび位置cに、インジウムイオン(In3+)、ガリウムイオン(Ga3+)および亜鉛イオン(Zn2+)を配置した場合の相対エネルギーを示す。なお、相対エネルギーは、計算したモデルにおいて、最もエネルギーが低いモデルのエネルギーを0eVとしたときの相対値である。Next, the relative energy when metal ions are arranged at the assumed position A, position B, position a, position b, and position c was evaluated by the first principle calculation. VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) was used for the first principle calculation. Further, the PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) type generalized gradient approximation (GGA) was used as the exchange correlation potential, and the PAW (Projector Augmented Wave) method was used as the ion potential. The cut-off energy was 400 eV, and the k-point sampling was only the Γ point. The table below shows the relative energies when indium ions (In 3+ ), gallium ions (Ga 3+ ), and zinc ions (Zn 2+ ) are arranged at position A, position B, position a, position b, and position c. The relative energy is a relative value when the energy of the model with the lowest energy is 0 eV in the calculated model.

Figure 2017115209
Figure 2017115209

その結果、金属イオンはいずれもナノクラスター20の上面より、側面に付着しやすいことがわかった。特に、位置aのインジウムサイトにおいては、インジウムイオンだけでなく、亜鉛イオンも最も付着しやすい結果が得られた。  As a result, it was found that all metal ions are more likely to adhere to the side surface than the top surface of the nanocluster 20. In particular, at the indium site at position a, not only indium ions but also zinc ions were most easily attached.

同様に、ナノクラスター20への酸素イオン(O2−)の付着しやすさを評価した。図8(A)、図8(B)、図8(C)、図8(D)および図8(E)は、ナノクラスター20の構造と酸素イオンが付着する位置を示す図である。また、図8(F)は、ナノクラスター20をc軸に平行な方向から見た構造を示す。図8(G)は、ナノクラスター20をb軸に平行な方向からみた構造を示す。Similarly, the ease of attachment of oxygen ions (O 2− ) to the nanoclusters 20 was evaluated. FIG. 8A, FIG. 8B, FIG. 8C, FIG. 8D, and FIG. 8E are diagrams showing the structure of the nanocluster 20 and the position where oxygen ions are attached. FIG. 8F shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction parallel to the c-axis. FIG. 8G shows a structure of the nanocluster 20 viewed from a direction parallel to the b-axis.

酸素イオンの付着する位置を、位置C、位置D、位置d、位置eおよび位置fで示す。なお、位置Cは、ナノクラスター20上面のガリウムと結合する位置である。位置Dは、ナノクラスター20上面の亜鉛と結合する位置である。位置dは、ナノクラスター20側面のインジウムと結合する位置である。位置eは、ナノクラスター20側面のガリウムと結合する位置である。位置fは、ナノクラスター20側面の亜鉛と結合する位置である。  Positions where oxygen ions adhere are indicated by position C, position D, position d, position e, and position f. Note that the position C is a position where it bonds to gallium on the upper surface of the nanocluster 20. The position D is a position where it binds to zinc on the upper surface of the nanocluster 20. The position d is a position where it binds to indium on the side surface of the nanocluster 20. The position e is a position where it bonds with gallium on the side surface of the nanocluster 20. The position f is a position where it binds to zinc on the side surface of the nanocluster 20.

次に、仮定した位置C、位置D、位置d、位置eおよび位置fに酸素イオンを配置した場合の相対エネルギーを第一原理計算によって評価する。下表に、位置C、位置D、位置d、位置eおよび位置fに、酸素イオン(O2−)を配置した場合の相対エネルギーを示す。Next, the relative energy when oxygen ions are arranged at the assumed position C, position D, position d, position e, and position f is evaluated by the first principle calculation. The table below shows the relative energy when oxygen ions (O 2− ) are arranged at position C, position D, position d, position e, and position f.

Figure 2017115209
Figure 2017115209

その結果、酸素イオンもナノクラスター20の上面より、側面に付着しやすいことがわかった。  As a result, it was found that oxygen ions are more likely to adhere to the side surface than the upper surface of the nanocluster 20.

したがって、ナノクラスター20に近づいた粒子23は、ナノクラスター20の側面に優先的に付着していくことがわかる。即ち、ナノクラスター20の側面に付着した粒子23によって、ナノクラスター20のラテラル成長が起こる上述の成膜モデルは妥当性が高いといえる。  Therefore, it can be seen that the particles 23 approaching the nanocluster 20 preferentially adhere to the side surface of the nanocluster 20. That is, it can be said that the above-described film formation model in which the lateral growth of the nanocluster 20 is caused by the particles 23 attached to the side surface of the nanocluster 20 is highly valid.

<Si混入によるCAAC−OSの結晶構造変化>
以下では、InMZnOの結晶構造にSiが混入することで結晶構造がどのように変化するかについて計算した結果について説明する。以下では元素MがGaである場合について計算を行った。
<Crystal structure change of CAAC-OS due to Si contamination>
The following describes the results of calculation whether the crystal structure by Si is mixed into the crystal structure of InMZnO 4 how the changes. In the following, the calculation was performed for the case where the element M is Ga.

本計算で用いたInGaZnOの結晶モデルについて図10に示す。本計算では、図10に示すInGaZnOの結晶の中にSiを配置したモデルについて、第一原理計算に基づいて構造最適化を行った。なお、図10の一点鎖線で囲まれた領域が本計算に用いたセルサイズであり、本計算では336個の原子で構成されたモデルについて計算を行った。また、モデル全体の電荷状態は中性とした。The crystal model of InGaZnO 4 used in this calculation is shown in FIG. In this calculation, the structure optimization was performed based on the first principle calculation for the model in which Si is arranged in the InGaZnO 4 crystal shown in FIG. In addition, the area | region enclosed with the dashed-dotted line of FIG. 10 is the cell size used for this calculation, In this calculation, it calculated about the model comprised by 336 atoms. The charge state of the entire model was neutral.

本計算には、VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)を用いた。原子の擬ポテンシャルにはPAW法を用いた。また、交換相関ポテンシャルにはPBE(Perdew−Burke−Ernzerhof)型の一般化勾配近似(GGA)を用いた。また、カットオフエネルギーは800eVとした。また、サンプルk点は2×2×1とした。  For this calculation, VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) was used. The PAW method was used for the pseudopotential of atoms. The exchange correlation potential was PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) type generalized gradient approximation (GGA). The cut-off energy was 800 eV. The sample k point was 2 × 2 × 1.

図11及び図12に、図10に示すInGaZnOの結晶モデルにSiを配置して構造最適化を行った後の構造について示す。図11(A)は、図10に示す構造において、ZnをSiに置換して構造最適化を行った後の構造である。また、図11(B)は、図10に示す構造において、InをSiに置換して構造最適化を行った後の構造である。また、図12(A)は、図10に示す構造において、In−O層とGa−Zn−O層の間にSiを配置して構造最適化を行った後の構造である。また、図12(B)は、図10に示す構造において、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層の間にSiを配置して構造最適化を行った後の構造である。FIGS. 11 and 12 show a structure after Si is arranged in the InGaZnO 4 crystal model shown in FIG. 10 and the structure is optimized. FIG. 11A shows the structure after the structure optimization shown in FIG. 10 by replacing Zn with Si. FIG. 11B shows the structure after the structure optimization shown in FIG. 10 by substituting In for Si. FIG. 12A illustrates a structure after the structure optimization in which Si is disposed between the In—O layer and the Ga—Zn—O layer in the structure illustrated in FIG. FIG. 12B illustrates the structure after the structure optimization in which Si is disposed between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer in the structure illustrated in FIG.

図11(A)に示すように、ZnをSiに置換すると、Siとab面方向に結合したOと、そのOとc軸方向でに結合していたGaまたはZnとの距離が大きくなった。これにより、そのGaまたはZnは4配位に近くなっていた。ここで、Siは4配位であり、第一近接のOとの距離の平均は約0.167nmであった。これはGa−OまたはGa−O間の距離よりも0.02nmほど短い。よって、SiがOを引き寄せることによって結晶構造に歪みが生じたと推測される。  As shown in FIG. 11A, when Zn is replaced by Si, the distance between O bonded to Si in the ab plane direction and Ga or Zn bonded to the O in the c-axis direction is increased. . Thereby, the Ga or Zn was close to tetracoordinate. Here, Si is tetracoordinate, and the average distance from the first adjacent O was about 0.167 nm. This is about 0.02 nm shorter than the distance between Ga—O or Ga—O. Therefore, it is presumed that the crystal structure is distorted when Si attracts O.

図11(B)に示すように、InをSiに置換した場合もSiに隣接するOの位置がずれていた。ここで、SiとOの距離の平均は0.183nmであり、In−O間の距離(約0.22nm)よりも短い。よって、ZnをSiで置換した場合と同様に、SiがOを引き寄せることによって結晶構造に歪みが生じたと推測される。  As shown in FIG. 11B, even when In was replaced with Si, the position of O adjacent to Si was shifted. Here, the average distance between Si and O is 0.183 nm, which is shorter than the distance between In—O (about 0.22 nm). Therefore, as in the case where Zn is replaced with Si, it is presumed that the crystal structure is distorted when Si attracts O.

このように、InGaZnOの結晶の金属サイトにSiが混入された場合、Siが4配位であり、Si−Oの距離がIn,Ga,ZnとOの距離より短いことから、結晶構造に歪みが生じて結晶成長が阻害されることが示唆される。Thus, when Si is mixed into the metal site of the crystal of InGaZnO 4 , since Si is tetracoordinate and the distance of Si—O is shorter than the distance of In, Ga, Zn, and O, the crystal structure is It is suggested that distortion occurs and crystal growth is inhibited.

また、図12(A)に示すように、In−O層とGa−Zn−O層の間にSiを配置すると、Siの近傍に位置するについて、In−O間の距離が大きくなった。これは、Si−Oの結合がIn−Oの結合よりも強いため、SiがOを引き寄せてIn−Oの結合を切断してしまったためと推測される。  In addition, as illustrated in FIG. 12A, when Si is disposed between the In—O layer and the Ga—Zn—O layer, the distance between In—O is increased in the vicinity of Si. This is presumed to be because the Si—O bond is stronger than the In—O bond, so that Si attracts O and breaks the In—O bond.

また、図12(B)に示すように、Ga−Zn−O層とGa−Zn−O層の間にSiを配置すると、Si近傍において、Ga−Zn−O層の平面から位置がずれたGa及びZnが見られた。これは、そのGaまたはZnとc軸方向に結合していたOがSiと結合することで、Ga−O、Zn−Oの距離が大きくなり、Ga及びZnが4配位に近くなったためと推測される。  In addition, as illustrated in FIG. 12B, when Si is disposed between the Ga—Zn—O layer and the Ga—Zn—O layer, the position is shifted from the plane of the Ga—Zn—O layer in the vicinity of Si. Ga and Zn were found. This is because the Ga-Zn and O bonded in the c-axis direction are combined with Si, the distance between Ga-O and Zn-O is increased, and Ga and Zn are close to tetracoordinate. Guessed.

このように、InGaZnOの結晶の格子間にSiが混入された場合、Si近傍の構造が乱れることが示唆される。Thus, it is suggested that when Si is mixed between lattices of InGaZnO 4 crystals, the structure in the vicinity of Si is disturbed.

<組成>
以下では、In−M−Zn酸化物の組成について説明する。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
<Composition>
Hereinafter, the composition of the In-M-Zn oxide will be described. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

まず、図13(A)、図13(B)、および図13(C)を用いて、本発明に係る酸化物が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図13には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。  First, with reference to FIGS. 13A, 13B, and 13C, a preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide according to the present invention will be described. Note that FIG. 13 does not describe the atomic ratio of oxygen. In addition, each term of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide is [In], [M], and [Zn].

図13(A)、図13(B)、および図13(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。  In FIG. 13A, FIG. 13B, and FIG. 13C, a broken line indicates an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line that satisfies (−1 ≦ α ≦ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): line that has an atomic ratio of 2 [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): a line having an atomic ratio of 3; [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): number of atoms of 4 A line to be a ratio and a line to have an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1−α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、及び[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラインを表す。  A one-dot chain line is a line having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: β (β ≧ 0), [In]: [M]: [Zn] = 1: 2: A line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: A line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 4: Line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 2: 1: Line with an atomic ratio of β, and [In]: [M]: [Zn] = 5 : Represents a line with an atomic ratio of 1: β.

また、図13に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比またはその近傍値の酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。  In addition, an oxide having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1 or a value close to it shown in FIG. 13 tends to have a spinel crystal structure.

図13(A)および図13(B)では、本発明の一態様の酸化物が有する、インジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。  FIG. 13A and FIG. 13B illustrate an example of a preferable range of the atomic ratio of indium, the element M, and zinc included in the oxide of one embodiment of the present invention.

InMZnOは、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、図1(A)に示すように、インジウム、および酸素を有する、In−O層が1に対し、元素M、亜鉛、および酸素を有する、M−Zn−O層が2となる。InMZnO 4 has a layered crystal structure (also referred to as a layered structure), and as shown in FIG. 1A, indium and oxygen have an In—O layer of 1, an element M, zinc, and oxygen. The M-Zn-O layer having 2 is 2.

また、インジウムと元素Mは、互いに置換可能である。そのため、M−Zn−O層の元素Mがインジウムと置換し、In−M−Zn−O層と表すこともできる。その場合、In−O層が1に対し、In−M−Zn−O層が2である層状構造をとる。  Indium and element M can be substituted for each other. Therefore, the element M in the M-Zn-O layer can be replaced with indium to represent an In-M-Zn-O layer. In that case, a layered structure in which the In—O layer is 1 and the In—M—Zn—O layer is 2 is employed.

[In]:[M]:[Zn]=1:1:2となる原子数比の酸化物は、In−O層が1に対し、M−Zn−O層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対し[Zn]が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、In−O層に対するM−Zn−O層の割合が増加する。An oxide having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 2 has a layered structure in which the In—O layer is 1 and the M—Zn—O layer is 3. . That is, when [Zn] increases with respect to [In] and [M], the ratio of the M—Zn—O layer to the In—O layer increases when the oxide crystallizes.

ただし、酸化物中において、In−O層が1に対し、M−Zn−O層が非整数である場合、In−O層が1に対し、M−Zn−O層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、In−O層が1に対し、M−Zn−O層が2である層状構造と、M−Zn−O層が3である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。  However, in the oxide, when the In—O layer is 1 and the M—Zn—O layer is a non-integer, the layered structure in which the In—O layer is 1 and the M—Zn—O layer is an integer. In some cases. For example, when [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 1.5, a layered structure in which the In—O layer is 1 and the M—Zn—O layer is 2; There may be a layered structure in which a layered structure having 3 Zn—O layers is mixed.

例えば、酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。  For example, when an oxide is formed using a sputtering apparatus, a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target is formed. In particular, depending on the substrate temperature during film formation, [Zn] of the film may be smaller than [Zn] of the target.

また、酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[M]:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が形成される場合がある。  In addition, a plurality of phases may coexist in the oxide (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, at an atomic ratio which is a value close to the atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel crystal structure and a layered crystal structure coexist. Cheap. In addition, when the atomic ratio is a value close to the atomic ratio indicating [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, the biphasic crystal structure and the layered crystal structure have two phases. Easy to coexist. When a plurality of phases coexist in an oxide, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) may be formed between different crystal structures.

また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。これは、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物では、主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、s軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物はインジウムの含有率が低い酸化物と比較してキャリア移動度が高くなるためである。  In addition, by increasing the indium content, the carrier mobility (electron mobility) of the oxide can be increased. This is because, in an oxide containing indium, element M and zinc, the s orbital of heavy metal mainly contributes to carrier conduction, and by increasing the content of indium, the region where the s orbital overlaps becomes larger. This is because an oxide having a high indium content has higher carrier mobility than an oxide having a low indium content.

一方、酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比(例えば図13(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。  On the other hand, when the contents of indium and zinc in the oxide are lowered, the carrier mobility is lowered. Therefore, in the atomic number ratio indicating [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and the atomic number ratio which is a neighborhood value thereof (for example, the region C shown in FIG. 13C), the insulating property Becomes higher.

従って、本発明の一態様の酸化物は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図13(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。  Therefore, the oxide of one embodiment of the present invention preferably has an atomic ratio shown by a region A in FIG. 13A which has a high carrier mobility and a tendency to form a layered structure with few grain boundaries.

また、図13(B)に示す領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する酸化物は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。  In addition, a region B illustrated in FIG. 13B indicates [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1 and the vicinity thereof. The neighborhood value includes, for example, an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. The oxide having the atomic ratio shown in the region B is an excellent oxide having high crystallinity and high carrier mobility.

なお、酸化物が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。  Note that the conditions under which the oxide forms a layered structure are not uniquely determined by the atomic ratio. Depending on the atomic ratio, there is a difference in difficulty for forming a layered structure. On the other hand, even if the atomic ratio is the same, there may be a layered structure or a layered structure depending on the formation conditions. Therefore, the illustrated region is a region in which the oxide has an atomic ratio with a layered structure, and the boundaries between the regions A to C are not strict.

続いて、上記酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。  Next, the case where the above oxide is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、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 for a transistor, carrier scattering and the like at grain boundaries can be reduced, so that a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。For the transistor, an oxide with low carrier density is preferably used. For example, the oxide has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / cm 3. It may be 3 or more.

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。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。  Note that a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. In addition, an oxide that is highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic has a low defect level density and thus may have a low trap level density.

また、酸化物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にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。  In addition, the charge trapped in the trap level of the oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide having a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

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

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

酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物において欠陥準位が形成される。このため、酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物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。In the oxide, when silicon or carbon which is one of Group 14 elements is included, a defect level is formed in the oxide. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the oxide and the concentration of silicon and carbon in the vicinity of the interface with the oxide (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。In addition, when the oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor including an oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide 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 nitrogen is included in the oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the oxide is likely to be n-type. As a result, a transistor in which an oxide containing nitrogen is used as a semiconductor is likely to be normally on. Therefore, in the oxide, it is preferable that nitrogen is reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the oxide is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 in SIMS. cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、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、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。In addition, hydrogen contained in the oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including an oxide containing hydrogen is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the oxide, 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 5 × 10 18 atoms / cm 3. Less than, 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 in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be imparted.

続いて、該酸化物を2層構造、または3層構造とした場合について述べる。酸化物S1、酸化物S2、および酸化物S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物S2および酸化物S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図14を用いて説明する。  Subsequently, a case where the oxide has a two-layer structure or a three-layer structure will be described. FIG. 14 is used to describe the band diagram of the insulator in contact with the stacked structure of the oxide S1, the oxide S2, and the oxide S3 and the band diagram of the insulator in contact with the stacked structure of the oxide S2 and the oxide S3. explain.

図14(A)は、絶縁体I1、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図14(B)は、絶縁体I1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体I1、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3、及び絶縁体I2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。  FIG. 14A illustrates an example of a band diagram in the film thickness direction of a stacked structure including the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2. FIG. 14B is an example of a band diagram in the film thickness direction of the stacked structure including the insulator I1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2. Note that the band diagram shows the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2 for easy understanding.

酸化物S1、酸化物S3は、酸化物S2よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物S2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物S1、酸化物S3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。すなわち、酸化物S1、酸化物S3の電子親和力と、酸化物S2の電子親和力との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。  The oxide S1 and the oxide S3 have an energy level at the lower end of the conduction band closer to the vacuum level than the oxide S2. Typically, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide S2, and the oxide S1, The difference from the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide S3 is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the oxides S1 and S3 and the electron affinity of the oxide S2 is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less.

図14(A)、および図14(B)に示すように、酸化物S1、酸化物S2、酸化物S3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、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。このようなバンド図を有するためには、酸化物S1と酸化物S2との界面、または酸化物S2と酸化物S3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。  As shown in FIGS. 14A and 14B, in the oxide S1, the oxide S2, and the oxide S3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined. In order to have such a band diagram, the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide S1 and the oxide S2 or the interface between the oxide S2 and the oxide S3 is preferably low.

具体的には、酸化物S1と酸化物S2、酸化物S2と酸化物S3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S2がIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物S1、酸化物S3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 S1 and the oxide S2, and the oxide S2 and the oxide S3 have a common element other than oxygen (main component), thereby forming a mixed layer with a low density of defect states. be able to. For example, in the case where the oxide S2 is an In—Ga—Zn oxide, an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a gallium oxide, or the like may be used as the oxide S1 and the oxide S3.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物S2となる。酸化物S1と酸化物S2との界面、および酸化物S2と酸化物S3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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。  At this time, the main path of carriers is the oxide S2. Since the defect level density at the interface between the oxide S1 and the oxide S2 and the interface between the oxide S2 and the oxide S3 can be reduced, the influence on the carrier conduction due to interface scattering is small, and a high on-current is obtained. can get.

トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物S1、酸化物S3を設けることにより、トラップ準位を酸化物S2より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。  When electrons are trapped in the trap level, the trapped electrons behave like fixed charges, so that the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. By providing the oxide S1 and the oxide S3, the trap level can be kept away from the oxide S2. With this structure, the threshold voltage of the transistor can be prevented from shifting in the positive direction.

酸化物S1、酸化物S3は、酸化物S2と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物S2、酸化物S2と酸化物S1との界面、および酸化物S2と酸化物S3との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物S1、酸化物S3には、図13(C)において、絶縁性が高くなる領域Cで示す原子数比の酸化物を用いればよい。なお、図13(C)に示す領域Cは、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、またはその近傍値である原子数比を示している。  As the oxide S1 and the oxide S3, a material having a sufficiently low conductivity as compared with the oxide S2 is used. At this time, the oxide S2, the interface between the oxide S2 and the oxide S1, and the interface between the oxide S2 and the oxide S3 mainly function as a channel region. For example, as the oxide S1 and the oxide S3, an oxide having an atomic ratio indicated by a region C in which the insulating property is increased in FIG. Note that a region C illustrated in FIG. 13C illustrates [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 or an atomic ratio that is a value in the vicinity thereof.

特に、酸化物S2に領域Aで示される原子数比の酸化物を用いる場合、酸化物S1および酸化物S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以上である酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物S3として、十分に高い絶縁性を得ることができる[M]/([Zn]+[In])が1以上である酸化物を用いることが好適である。  In particular, when an oxide having an atomic ratio indicated by the region A is used for the oxide S2, the oxide S1 and the oxide S3 have an oxide [M] / [In] of 1 or more, preferably 2 or more. Is preferably used. In addition, as the oxide S3, it is preferable to use an oxide having [M] / ([Zn] + [In]) of 1 or more that can obtain sufficiently high insulation.

<スパッタリング装置>
以下では、本発明の一態様に係る平行平板型のスパッタリング装置および対向ターゲット式のスパッタリング装置について説明する。後述するが、対向ターゲット式のスパッタリング装置を用いた成膜では、被形成面へのダメージが小さくできるため、結晶性の高い膜を得やすい。即ち、CAAC−OSの成膜には、対向ターゲット式のスパッタリング装置を用いることが好ましい場合がある。なお、以下に示すスパッタリング装置では、理解を容易にするため、または成膜時における動作を説明するため、基板およびターゲットなどを配置した状態で示す。ただし、基板およびターゲットなどは、使用者が設置する物であるため、本発明の一態様に係るスパッタリング装置が基板およびターゲットを有さない場合もある。
<Sputtering device>
Hereinafter, a parallel plate sputtering apparatus and a counter target sputtering apparatus according to one embodiment of the present invention will be described. As will be described later, in the film formation using the facing target sputtering apparatus, damage to the formation surface can be reduced, so that a film with high crystallinity is easily obtained. That is, in some cases, it is preferable to use a facing target sputtering apparatus for forming the CAAC-OS. Note that the sputtering apparatus described below is shown with a substrate, a target, and the like arranged in order to facilitate understanding or to explain operations during film formation. However, since the substrate, the target, and the like are things that a user installs, the sputtering apparatus according to one embodiment of the present invention may not have the substrate and the target.

平行平板型スパッタリング装置を用いた成膜法を、PESP(parallel electrode SP)と呼ぶこともできる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(vapor deposition SP)と呼ぶこともできる。  A film formation method using a parallel plate sputtering apparatus can also be called PESP (parallel electrode SP). In addition, a film formation method using an opposed target sputtering apparatus can also be referred to as a VDSP (vapor deposition SP).

図15(A)は、平行平板型のスパッタリング装置である成膜室601の断面図である。図15(A)に示す成膜室601は、ターゲットホルダ620と、バッキングプレート610と、ターゲット600と、マグネットユニット630と、基板ホルダ670と、を有する。なお、ターゲット600は、バッキングプレート610上に配置される。また、バッキングプレート610は、ターゲットホルダ620上に配置される。また、マグネットユニット630は、バッキングプレート610を介してターゲット600下に配置される。また、基板ホルダ670は、ターゲット600と向かい合って配置される。なお、本明細書では、複数のマグネット(磁石)を組み合わせたものをマグネットユニットと呼ぶ。マグネットユニットは、カソード、カソードマグネット、磁気部材、磁気部品などと呼びかえることができる。マグネットユニット630は、マグネット630Nと、マグネット630Sと、マグネットホルダ632と、を有する。なお、マグネットユニット630において、マグネット630Nおよびマグネット630Sは、マグネットホルダ632上に配置される。また、マグネット630Nは、マグネット630Sと間隔を空けて配置される。なお、成膜室601に基板660を搬入する場合、基板660は基板ホルダ670上に配置される。  FIG. 15A is a cross-sectional view of a film formation chamber 601 which is a parallel plate type sputtering apparatus. A deposition chamber 601 illustrated in FIG. 15A includes a target holder 620, a backing plate 610, a target 600, a magnet unit 630, and a substrate holder 670. Note that the target 600 is disposed on the backing plate 610. In addition, the backing plate 610 is disposed on the target holder 620. In addition, the magnet unit 630 is disposed under the target 600 through the backing plate 610. Further, the substrate holder 670 is disposed to face the target 600. In this specification, a combination of a plurality of magnets (magnets) is called a magnet unit. The magnet unit can be called a cathode, a cathode magnet, a magnetic member, a magnetic component, or the like. The magnet unit 630 includes a magnet 630N, a magnet 630S, and a magnet holder 632. In the magnet unit 630, the magnet 630N and the magnet 630S are disposed on the magnet holder 632. Further, the magnet 630N is arranged at a distance from the magnet 630S. Note that when the substrate 660 is carried into the film formation chamber 601, the substrate 660 is disposed on the substrate holder 670.

ターゲットホルダ620とバッキングプレート610とは、ネジ(ボルトなど)を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ620は、バッキングプレート610を介してターゲット600を支持する機能を有する。  The target holder 620 and the backing plate 610 are fixed using screws (bolts or the like) and are equipotential. Further, the target holder 620 has a function of supporting the target 600 through the backing plate 610.

また、バッキングプレート610には、ターゲット600が固定される。例えば、インジウムなどの低融点金属を含むボンディング材によってバッキングプレート610とターゲット600とを固定することができる。  Further, the target 600 is fixed to the backing plate 610. For example, the backing plate 610 and the target 600 can be fixed by a bonding material containing a low melting point metal such as indium.

図15(A)に、マグネットユニット630によって形成される磁力線680aおよび磁力線680bを示す。  FIG. 15A shows magnetic lines of force 680 a and magnetic lines 680 b formed by the magnet unit 630.

磁力線680aは、ターゲット600の上面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット600の上面近傍は、例えば、ターゲット600から垂直距離が0mm以上10mm以下、特に0mm以上5mm以下の領域である。  The magnetic force line 680 a is one of magnetic force lines that form a horizontal magnetic field in the vicinity of the upper surface of the target 600. The vicinity of the upper surface of the target 600 is, for example, a region having a vertical distance from the target 600 of 0 mm to 10 mm, particularly 0 mm to 5 mm.

磁力線680bは、マグネットユニット630の上面から、垂直距離dにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離dは、例えば、0mm以上20mm以下または5mm以上15mm以下である。  The magnetic force line 680b is one of magnetic force lines that form a horizontal magnetic field at a vertical distance d from the upper surface of the magnet unit 630. The vertical distance d is, for example, 0 mm or more and 20 mm or less, or 5 mm or more and 15 mm or less.

このとき、強力なマグネット630Nおよび強力なマグネット630Sを用いることで、基板660の上面近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板660の上面における水平磁場の強度を10G以上100G以下、好ましくは15G以上60G以下、さらに好ましくは20G以上40G以下とすることができる。  At this time, by using the strong magnet 630N and the strong magnet 630S, a strong magnetic field can be generated even in the vicinity of the upper surface of the substrate 660. Specifically, the strength of the horizontal magnetic field on the upper surface of the substrate 660 can be set to 10G to 100G, preferably 15G to 60G, and more preferably 20G to 40G.

なお、水平磁場の強度の測定は、垂直磁場の強度が0Gのときの値を測定すればよい。  Note that the horizontal magnetic field strength may be measured by measuring the value when the vertical magnetic field strength is 0G.

成膜室601における磁場の強度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。  By setting the strength of the magnetic field in the deposition chamber 601 to be in the above range, an oxide with high density and high crystallinity can be formed. In addition, the obtained oxide hardly contains a plurality of types of crystal phases, and becomes an oxide containing almost a single crystal phase.

図15(B)に、マグネットユニット630の上面図を示す。マグネットユニット630は、円形または略円形のマグネット630Nと、円形または略円形のマグネット630Sと、がマグネットホルダ632に固定されている。そして、マグネットユニット630を、マグネットユニット630の上面における中央または略中央の法線ベクトルを回転軸として回転させることができる。例えば、マグネットユニット630を、0.1Hz以上1kHz以下のビート(リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。)で回転させればよい。  FIG. 15B shows a top view of the magnet unit 630. In the magnet unit 630, a circular or substantially circular magnet 630N and a circular or substantially circular magnet 630S are fixed to a magnet holder 632. Then, the magnet unit 630 can be rotated with the normal vector at the center or substantially the center on the upper surface of the magnet unit 630 as the rotation axis. For example, the magnet unit 630 may be rotated at a beat of 0.1 Hz to 1 kHz (in other words, rhythm, time signature, pulse, frequency, period, or cycle).

したがって、ターゲット600上の磁場の強い領域は、マグネットユニット630の回転とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット600のスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット600の特定の領域のみが使用されることになる。一方、図15(B)に示すようにマグネットユニット630を回転させることで、ターゲット600と基板660との間に、プラズマ640が生じるため、ターゲット600を均一に使用することができる。また、マグネットユニット630を回転させることによって、均一な厚さおよび均一な質を有する膜を成膜することができる。  Therefore, the strong magnetic field region on the target 600 changes as the magnet unit 630 rotates. Since the region having a strong magnetic field is a high-density plasma region, the sputtering phenomenon of the target 600 tends to occur in the vicinity thereof. For example, when a region having a strong magnetic field is a specific location, only a specific region of the target 600 is used. On the other hand, since the plasma 640 is generated between the target 600 and the substrate 660 by rotating the magnet unit 630 as shown in FIG. 15B, the target 600 can be used uniformly. Further, by rotating the magnet unit 630, a film having a uniform thickness and uniform quality can be formed.

また、マグネットユニット630を回転させることにより、基板660の上面における磁力線の向きも変化させることができる。  Further, by rotating the magnet unit 630, the direction of the lines of magnetic force on the upper surface of the substrate 660 can be changed.

なお、ここではマグネットユニット630を回転させる例を示したが、本発明の一態様はこれに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット630を上下または/および左右に揺動させても構わない。例えば、マグネットユニット630を、0.1Hz以上1kHz以下のビートで揺動させればよい。または、ターゲット600を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット600を、0.1Hz以上1kHz以下のビートで回転または揺動させればよい。または、基板660を回転させることで、相対的に基板660の上面における磁力線の向きを変化させても構わない。または、これらの組み合わせても構わない。  Note that although the example in which the magnet unit 630 is rotated is shown here, one embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the magnet unit 630 may be swung up and down or / and left and right. For example, the magnet unit 630 may be swung with a beat of 0.1 Hz to 1 kHz. Alternatively, the target 600 may be rotated or moved. For example, the target 600 may be rotated or oscillated with a beat of 0.1 Hz to 1 kHz. Alternatively, the direction of the magnetic lines of force on the upper surface of the substrate 660 may be relatively changed by rotating the substrate 660. Or you may combine these.

成膜室601は、バッキングプレート610の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体(空気、窒素、希ガス、水、オイルなど)を流すことで、スパッタ時にターゲット600の温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室601の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート610とターゲット600とをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。  The film formation chamber 601 may have a water channel inside or below the backing plate 610. Then, by flowing a fluid (air, nitrogen, rare gas, water, oil, etc.) through the water channel, discharge abnormality due to a rise in the temperature of the target 600 during sputtering, damage to the film formation chamber 601 due to member deformation, and the like are suppressed. be able to. At this time, it is preferable that the backing plate 610 and the target 600 are brought into close contact with each other through a bonding material because cooling performance is improved.

なお、ターゲットホルダ620とバッキングプレート610との間にガスケットを有すると、成膜室601内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。  Note that it is preferable to provide a gasket between the target holder 620 and the backing plate 610 because impurities are unlikely to enter the film formation chamber 601 from the outside or a water channel.

マグネットユニット630において、マグネット630Nとマグネット630Sとは、それぞれターゲット600側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット630Nをターゲット600側がN極となるように配置し、マグネット630Sをターゲット600側がS極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット630におけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図15(A)の配置に限定されるものでもない。  In the magnet unit 630, the magnet 630N and the magnet 630S are arranged with different poles facing the target 600 side. Here, a case will be described in which the magnet 630N is arranged so that the target 600 side has an N pole, and the magnet 630S is arranged so that the target 600 side has an S pole. However, the arrangement of magnets and poles in the magnet unit 630 is not limited to this arrangement. Further, the arrangement is not limited to that shown in FIG.

成膜時、ターゲットホルダ620に接続する端子V1に印加される電位V1は、例えば、基板ホルダ670に接続する端子V2に印加される電位V2よりも低い電位である。また、基板ホルダ670に接続する端子V2に印加される電位V2は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ632に接続する端子V3に印加される電位V3は、例えば、接地電位である。なお、端子V1、端子V2および端子V3に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ620、基板ホルダ670、マグネットホルダ632の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ670が電気的に浮いていても構わない。なお、図15(A)では、ターゲットホルダ620に接続する端子V1に電位V1を印加する、いわゆるDCスパッタリング法の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、ターゲットホルダ620に、周波数が13.56MHzまたは27.12MHzなどの高周波電源を接続する、いわゆるRFスパッタリング法を用いても構わない。  During film formation, the potential V1 applied to the terminal V1 connected to the target holder 620 is lower than the potential V2 applied to the terminal V2 connected to the substrate holder 670, for example. The potential V2 applied to the terminal V2 connected to the substrate holder 670 is, for example, a ground potential. The potential V3 applied to the terminal V3 connected to the magnet holder 632 is, for example, a ground potential. Note that the potential applied to the terminal V1, the terminal V2, and the terminal V3 is not limited to the above potential. Further, the potential may not be applied to all of the target holder 620, the substrate holder 670, and the magnet holder 632. For example, the substrate holder 670 may be electrically floating. Note that FIG. 15A illustrates an example of a so-called DC sputtering method in which the potential V1 is applied to the terminal V1 connected to the target holder 620; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, a so-called RF sputtering method in which a high-frequency power source having a frequency of 13.56 MHz or 27.12 MHz is connected to the target holder 620 may be used.

また、図15(A)では、バッキングプレート610およびターゲットホルダ620と、マグネットユニット630およびマグネットホルダ632と、が電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート610およびターゲットホルダ620と、マグネットユニット630およびマグネットホルダ632と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。  FIG. 15A illustrates an example in which the backing plate 610 and the target holder 620 are not electrically connected to the magnet unit 630 and the magnet holder 632, but the present invention is not limited to this. For example, the backing plate 610 and the target holder 620, the magnet unit 630, and the magnet holder 632 may be electrically connected and may be equipotential.

また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板660の温度を高くしても構わない。基板660の温度を高くすることで、基板660の上面におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板660の温度は、例えば、100℃以上450℃以下、好ましくは150℃以上400℃以下、さらに好ましくは170℃以上350℃以下とすればよい。  Further, the temperature of the substrate 660 may be increased in order to further increase the crystallinity of the obtained oxide. By increasing the temperature of the substrate 660, migration of sputtered particles on the upper surface of the substrate 660 can be promoted. Therefore, an oxide with higher density and higher crystallinity can be formed. Note that the temperature of the substrate 660 may be, for example, 100 ° C to 450 ° C, preferably 150 ° C to 400 ° C, and more preferably 170 ° C to 350 ° C.

また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス(ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど)と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を50体積%未満、好ましくは33体積%以下、さらに好ましくは20体積%以下、より好ましくは15体積%以下とすればよい。  Also, if the oxygen partial pressure in the deposition gas is too high, oxides containing multiple types of crystal phases are likely to be deposited, so the deposition gas can be a rare gas such as argon (in addition to helium, neon, krypton, xenon). Etc.) and oxygen are preferably used. For example, the proportion of oxygen in the whole may be less than 50% by volume, preferably 33% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, more preferably 15% by volume or less.

また、ターゲット600と基板660との垂直距離を、10mm以上600mm以下、好ましくは20mm以上400mm以下、さらに好ましくは30mm以上200mm以下、より好ましくは40mm以上100mm以下とする。ターゲット600と基板660との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板660に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット600と基板660との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板660への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板660へのダメージを小さくすることができる場合がある。  The vertical distance between the target 600 and the substrate 660 is 10 mm to 600 mm, preferably 20 mm to 400 mm, more preferably 30 mm to 200 mm, and more preferably 40 mm to 100 mm. By reducing the vertical distance between the target 600 and the substrate 660 to the above-described range, a decrease in energy before the sputtered particles reach the substrate 660 may be suppressed. Further, by increasing the vertical distance between the target 600 and the substrate 660 to the above range, the incident direction of the sputtered particles to the substrate 660 can be made closer to the vertical, so that the damage to the substrate 660 due to the collision of the sputtered particles is reduced. Sometimes it can be made smaller.

図16(A)に、図15(A)とは異なる成膜室の例を示す。  FIG. 16A illustrates an example of a deposition chamber which is different from that in FIG.

図16(A)に示す成膜室601は、ターゲットホルダ620aと、ターゲットホルダ620bと、バッキングプレート610aと、バッキングプレート610bと、ターゲット600aと、ターゲット600bと、マグネットユニット630aと、マグネットユニット630bと、部材642と、基板ホルダ670と、を有する。なお、ターゲット600aは、バッキングプレート610a上に配置される。また、バッキングプレート610aは、ターゲットホルダ620a上に配置される。また、マグネットユニット630aは、バッキングプレート610aを介してターゲット600a下に配置される。また、ターゲット600bは、バッキングプレート610b上に配置される。また、バッキングプレート610bは、ターゲットホルダ620b上に配置される。また、マグネットユニット630bは、バッキングプレート610bを介してターゲット600b下に配置される。  A deposition chamber 601 illustrated in FIG. 16A includes a target holder 620a, a target holder 620b, a backing plate 610a, a backing plate 610b, a target 600a, a target 600b, a magnet unit 630a, and a magnet unit 630b. , A member 642 and a substrate holder 670. The target 600a is disposed on the backing plate 610a. The backing plate 610a is disposed on the target holder 620a. Moreover, the magnet unit 630a is arrange | positioned under the target 600a via the backing plate 610a. The target 600b is disposed on the backing plate 610b. The backing plate 610b is disposed on the target holder 620b. Moreover, the magnet unit 630b is arrange | positioned under the target 600b via the backing plate 610b.

マグネットユニット630aは、マグネット630N1と、マグネット630N2と、マグネット630Sと、マグネットホルダ632と、を有する。なお、マグネットユニット630aにおいて、マグネット630N1、マグネット630N2およびマグネット630Sは、マグネットホルダ632上に配置される。また、マグネット630N1およびマグネット630N2は、マグネット630Sと間隔を空けて配置される。なお、マグネットユニット630bは、マグネットユニット630aと同様の構造を有する。なお、成膜室601に基板660を搬入する場合、基板660は基板ホルダ670上に配置される。  The magnet unit 630a includes a magnet 630N1, a magnet 630N2, a magnet 630S, and a magnet holder 632. In the magnet unit 630a, the magnet 630N1, the magnet 630N2, and the magnet 630S are disposed on the magnet holder 632. Further, the magnet 630N1 and the magnet 630N2 are arranged with a gap from the magnet 630S. The magnet unit 630b has the same structure as the magnet unit 630a. Note that when the substrate 660 is carried into the film formation chamber 601, the substrate 660 is disposed on the substrate holder 670.

ターゲット600a、バッキングプレート610aおよびターゲットホルダ620aと、ターゲット600b、バッキングプレート610bおよびターゲットホルダ620bと、は部材642によって離間されている。なお、部材642は絶縁体であることが好ましい。ただし、部材642が導電体または半導体であっても構わない。また、部材642が、導電体または半導体の表面を絶縁体で覆ったものであっても構わない。  The target 600a, the backing plate 610a, and the target holder 620a are separated from the target 600b, the backing plate 610b, and the target holder 620b by a member 642. Note that the member 642 is preferably an insulator. However, the member 642 may be a conductor or a semiconductor. Further, the member 642 may be a conductor or semiconductor whose surface is covered with an insulator.

ターゲットホルダ620aとバッキングプレート610aとは、ネジ(ボルトなど)を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ620aは、バッキングプレート610aを介してターゲット600aを支持する機能を有する。また、ターゲットホルダ620bとバッキングプレート610bとは、ネジ(ボルトなど)を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ620bは、バッキングプレート610bを介してターゲット600bを支持する機能を有する。  The target holder 620a and the backing plate 610a are fixed using screws (bolts or the like) and are equipotential. Further, the target holder 620a has a function of supporting the target 600a via the backing plate 610a. In addition, the target holder 620b and the backing plate 610b are fixed using screws (bolts or the like) and are equipotential. Further, the target holder 620b has a function of supporting the target 600b via the backing plate 610b.

バッキングプレート610aは、ターゲット600aを固定する機能を有する。また、バッキングプレート610bは、ターゲット600bを固定する機能を有する。  The backing plate 610a has a function of fixing the target 600a. Further, the backing plate 610b has a function of fixing the target 600b.

図16(A)に、マグネットユニット630aによって形成される磁力線680aおよび磁力線680bを示す。  FIG. 16A shows a magnetic force line 680a and a magnetic force line 680b formed by the magnet unit 630a.

磁力線680aは、ターゲット600aの上面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット600aの上面近傍は、例えば、ターゲット600aから垂直距離が0mm以上10mm以下、特に0mm以上5mm以下の領域である。  The magnetic force line 680a is one of magnetic force lines that form a horizontal magnetic field in the vicinity of the upper surface of the target 600a. The vicinity of the upper surface of the target 600a is, for example, a region where the vertical distance from the target 600a is 0 mm to 10 mm, particularly 0 mm to 5 mm.

磁力線680bは、マグネットユニット630aの上面から、垂直距離dにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離dは、例えば、0mm以上20mm以下または5mm以上15mm以下である。  The magnetic force line 680b is one of magnetic force lines that form a horizontal magnetic field at a vertical distance d from the upper surface of the magnet unit 630a. The vertical distance d is, for example, 0 mm or more and 20 mm or less, or 5 mm or more and 15 mm or less.

このとき、強力なマグネット630N1、マグネット630N2および強力なマグネット630Sを用いることで、基板660の上面近傍においても強い磁場を発生させることができる。具体的には、基板660の上面における水平磁場の強度を10G以上100G以下、好ましくは15G以上60G以下、さらに好ましくは20G以上40G以下とすることができる。  At this time, a strong magnetic field can be generated even in the vicinity of the upper surface of the substrate 660 by using the strong magnet 630N1, the magnet 630N2, and the strong magnet 630S. Specifically, the strength of the horizontal magnetic field on the upper surface of the substrate 660 can be set to 10G to 100G, preferably 15G to 60G, and more preferably 20G to 40G.

成膜室601における磁場の強度を上述の範囲とすることで、密度が高く、結晶性の高い酸化物を成膜することができる。また、得られる酸化物は、複数種の結晶相を含むことが少なく、ほとんど単一の結晶相を含む酸化物となる。  By setting the strength of the magnetic field in the deposition chamber 601 to be in the above range, an oxide with high density and high crystallinity can be formed. In addition, the obtained oxide hardly contains a plurality of types of crystal phases, and becomes an oxide containing almost a single crystal phase.

なお、マグネットユニット630bもマグネットユニット630aと同様の磁力線が形成される。  The magnet unit 630b also has the same lines of magnetic force as the magnet unit 630a.

図16(B)に、マグネットユニット630aおよびマグネットユニット630bの上面図を示す。マグネットユニット630aは、長方形または略長方形のマグネット630N1と、長方形または略長方形のマグネット630N2と、長方形または略長方形のマグネット630Sと、がマグネットホルダ632に固定されていることわかる。そして、マグネットユニット630aを、図16(B)に示すように左右に揺動させることができる。例えば、マグネットユニット630aを、0.1Hz以上1kHz以下のビートで揺動させればよい。  FIG. 16B shows a top view of the magnet unit 630a and the magnet unit 630b. It can be seen that the magnet unit 630 a has a rectangular or substantially rectangular magnet 630 N 1, a rectangular or substantially rectangular magnet 630 N 2, and a rectangular or substantially rectangular magnet 630 S fixed to the magnet holder 632. Then, the magnet unit 630a can be swung left and right as shown in FIG. For example, the magnet unit 630a may be swung with a beat of 0.1 Hz to 1 kHz.

したがって、ターゲット600a上の磁場の強い領域は、マグネットユニット630aの揺動とともに変化する。磁場の強い領域は高密度プラズマ領域となるため、その近傍においてターゲット600aのスパッタリング現象が起こりやすい。例えば、磁場の強い領域が特定の箇所となる場合、ターゲット600aの特定の領域のみが使用されることになる。一方、図16(B)に示すようにマグネットユニット630aを揺動させることで、ターゲット600aと基板660との間に、プラズマ640が生じるため、ターゲット600aを均一に使用することができる。また、マグネットユニット630aを揺動させることによって、均一な厚さ、質を有する膜を成膜することができる。  Therefore, the region where the magnetic field is strong on the target 600a changes as the magnet unit 630a swings. Since the region having a strong magnetic field is a high-density plasma region, the sputtering phenomenon of the target 600a tends to occur in the vicinity thereof. For example, when a region having a strong magnetic field is a specific location, only a specific region of the target 600a is used. On the other hand, since the plasma 640 is generated between the target 600a and the substrate 660 by swinging the magnet unit 630a as shown in FIG. 16B, the target 600a can be used uniformly. Further, a film having a uniform thickness and quality can be formed by swinging the magnet unit 630a.

また、マグネットユニット630aを揺動させることにより、基板660の上面における磁力線の状態も変化させることができる。これは、マグネットユニット630bにおいても同様である。  Further, the state of the magnetic lines of force on the upper surface of the substrate 660 can be changed by swinging the magnet unit 630a. The same applies to the magnet unit 630b.

なお、ここではマグネットユニット630aおよびマグネットユニット630bを揺動させる例を示したが、本発明の一態様はこれに限定されるものではない。例えば、マグネットユニット630aおよびマグネットユニット630bを回転させても構わない。例えば、マグネットユニット630aおよびマグネットユニット630bを、0.1Hz以上1kHz以下のビートで回転させればよい。または、ターゲット600を回転または移動させても構わない。例えば、ターゲット600を、0.1Hz以上1kHz以下のビートで回転または揺動させればよい。または、基板660を回転させることで、相対的に基板660の上面における磁力線の状態を変化させることができる。または、これらを組み合わせても構わない。  Note that although the example in which the magnet unit 630a and the magnet unit 630b are swung is shown here, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, the magnet unit 630a and the magnet unit 630b may be rotated. For example, the magnet unit 630a and the magnet unit 630b may be rotated at a beat of 0.1 Hz to 1 kHz. Alternatively, the target 600 may be rotated or moved. For example, the target 600 may be rotated or oscillated with a beat of 0.1 Hz to 1 kHz. Alternatively, the state of the lines of magnetic force on the upper surface of the substrate 660 can be relatively changed by rotating the substrate 660. Alternatively, these may be combined.

成膜室601は、バッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bの内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体(空気、窒素、希ガス、水、オイルなど)を流すことで、スパッタ時にターゲット600aおよびターゲット600bの温度の上昇による放電異常や、部材の変形による成膜室601の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート610aとターゲット600aとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。また、バッキングプレート610bとターゲット600bとをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。  The film formation chamber 601 may have a water channel inside or below the backing plate 610a and the backing plate 610b. Then, by causing fluid (air, nitrogen, rare gas, water, oil, etc.) to flow through the water channel, abnormal discharge due to a rise in temperature of the target 600a and the target 600b during sputtering, damage to the film formation chamber 601 due to deformation of members, and the like. Can be suppressed. At this time, it is preferable that the backing plate 610a and the target 600a are in close contact with each other through a bonding material because the cooling performance is improved. In addition, it is preferable that the backing plate 610b and the target 600b are in close contact with each other through a bonding material because the cooling performance is improved.

なお、ターゲットホルダ620aとバッキングプレート610aとの間にガスケットを有すると、成膜室601内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。また、ターゲットホルダ620bとバッキングプレート610bとの間にガスケットを有すると、成膜室601内に外部や水路などから不純物が混入しにくくなるため好ましい。  Note that it is preferable to provide a gasket between the target holder 620a and the backing plate 610a because impurities are less likely to enter the film formation chamber 601 from the outside or a water channel. In addition, it is preferable to provide a gasket between the target holder 620b and the backing plate 610b because impurities hardly enter the film formation chamber 601 from the outside or a water channel.

マグネットユニット630aにおいて、マグネット630N1およびマグネット630N2とマグネット630Sとはそれぞれターゲット600a側に異なる極を向けて配置されている。ここでは、マグネット630N1およびマグネット630N2をターゲット600a側がN極となるように配置し、マグネット630Sをターゲット600a側がS極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット630aにおけるマグネットおよび極の配置は、この配置に限定されるものではない。また、図16(A)の配置に限定されるものでもない。これは、マグネットユニット630bについても同様である。  In the magnet unit 630a, the magnet 630N1, the magnet 630N2, and the magnet 630S are arranged with different poles facing the target 600a. Here, a case will be described in which the magnet 630N1 and the magnet 630N2 are arranged so that the target 600a side has an N pole, and the magnet 630S is arranged so that the target 600a side has an S pole. However, the arrangement of the magnets and poles in the magnet unit 630a is not limited to this arrangement. Further, the arrangement is not limited to that shown in FIG. The same applies to the magnet unit 630b.

成膜時、ターゲットホルダ620aに接続する端子V1と、ターゲットホルダ620bに接続する端子V4と、の間で、交互に高低が入れ替わる電位を印加すればよい。また、基板ホルダ670に接続する端子V2に印加される電位V2は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ632に接続する端子V3に印加される電位V3は、例えば、接地電位である。なお、端子V1、端子V2、端子V3および端子V4に印加される電位は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ620a、ターゲットホルダ620b、基板ホルダ670、マグネットホルダ632の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ホルダ670が電気的に浮いていても構わない。なお、図16(A)では、ターゲットホルダ620aに接続する端子V1と、ターゲットホルダ620bに接続する端子V4と、の間で、交互に高低が入れ替わる電位を印加する、いわゆるACスパッタリング法の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。  At the time of film formation, a potential at which the level is alternately switched may be applied between the terminal V1 connected to the target holder 620a and the terminal V4 connected to the target holder 620b. The potential V2 applied to the terminal V2 connected to the substrate holder 670 is, for example, a ground potential. The potential V3 applied to the terminal V3 connected to the magnet holder 632 is, for example, a ground potential. Note that the potential applied to the terminal V1, the terminal V2, the terminal V3, and the terminal V4 is not limited to the above potential. In addition, the potential may not be applied to all of the target holder 620a, the target holder 620b, the substrate holder 670, and the magnet holder 632. For example, the substrate holder 670 may be electrically floating. In FIG. 16A, an example of a so-called AC sputtering method in which a potential that alternates between high and low is applied between a terminal V1 connected to the target holder 620a and a terminal V4 connected to the target holder 620b. Although shown, one embodiment of the present invention is not limited thereto.

また、図16(A)では、バッキングプレート610aおよびターゲットホルダ620aと、マグネットユニット630aおよびマグネットホルダ632と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート610aおよびターゲットホルダ620aと、マグネットユニット630aおよびマグネットホルダ632と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。また、バッキングプレート610bおよびターゲットホルダ620bと、マグネットユニット630bおよびマグネットホルダ632と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート610aおよびターゲットホルダ620bと、マグネットユニット630bおよびマグネットホルダ632と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。  FIG. 16A shows an example in which the backing plate 610a and the target holder 620a are not electrically connected to the magnet unit 630a and the magnet holder 632, but the present invention is not limited to this. For example, the backing plate 610a and the target holder 620a, and the magnet unit 630a and the magnet holder 632 may be electrically connected and may be equipotential. Further, although the example in which the backing plate 610b and the target holder 620b are not electrically connected to the magnet unit 630b and the magnet holder 632 has been shown, the present invention is not limited to this. For example, the backing plate 610a and the target holder 620b, the magnet unit 630b, and the magnet holder 632 are electrically connected and may be equipotential.

また、得られる酸化物の結晶性をさらに高めるために、基板660の温度を高くしても構わない。基板660の温度を高くすることで、基板660の上面におけるスパッタ粒子のマイグレーションを助長させることができる。したがって、より密度が高く、より結晶性の高い酸化物を成膜することができる。なお、基板660の温度は、例えば、100℃以上450℃以下、好ましくは150℃以上400℃以下、さらに好ましくは170℃以上350℃以下とすればよい。  Further, the temperature of the substrate 660 may be increased in order to further increase the crystallinity of the obtained oxide. By increasing the temperature of the substrate 660, migration of sputtered particles on the upper surface of the substrate 660 can be promoted. Therefore, an oxide with higher density and higher crystallinity can be formed. Note that the temperature of the substrate 660 may be, for example, 100 ° C to 450 ° C, preferably 150 ° C to 400 ° C, and more preferably 170 ° C to 350 ° C.

また、成膜ガス中の酸素分圧が高すぎると、複数種の結晶相を含む酸化物が成膜されやすいため、成膜ガスはアルゴンなどの希ガス(ほかにヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなど)と酸素との混合ガスを用いると好ましい。例えば、全体に占める酸素の割合を50体積%未満、好ましくは33体積%以下、さらに好ましくは20体積%以下、より好ましくは15体積%以下とすればよい。  Also, if the oxygen partial pressure in the deposition gas is too high, oxides containing multiple types of crystal phases are likely to be deposited, so the deposition gas can be a rare gas such as argon (in addition to helium, neon, krypton, xenon). Etc.) and oxygen are preferably used. For example, the proportion of oxygen in the whole may be less than 50% by volume, preferably 33% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, more preferably 15% by volume or less.

また、ターゲット600aと基板660との垂直距離を、10mm以上600mm以下、好ましくは20mm以上400mm以下、さらに好ましくは30mm以上200mm以下、より好ましくは40mm以上100mm以下とする。ターゲット600aと基板660との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板660に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット600aと基板660との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板660への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板660へのダメージを小さくすることができる場合がある。  In addition, the vertical distance between the target 600a and the substrate 660 is 10 mm to 600 mm, preferably 20 mm to 400 mm, more preferably 30 mm to 200 mm, and more preferably 40 mm to 100 mm. By reducing the vertical distance between the target 600a and the substrate 660 to the above-described range, a decrease in energy before the sputtered particles reach the substrate 660 may be suppressed. Further, by increasing the vertical distance between the target 600a and the substrate 660 to the above range, the incident direction of the sputtered particles to the substrate 660 can be made closer to the vertical, so that damage to the substrate 660 due to the collision of the sputtered particles is reduced. Sometimes it can be made smaller.

また、ターゲット600bと基板660との垂直距離を、10mm以上600mm以下、好ましくは20mm以上400mm以下、さらに好ましくは30mm以上200mm以下、より好ましくは40mm以上100mm以下とする。ターゲット600bと基板660との垂直距離を上述の範囲まで近くすることで、スパッタ粒子が、基板660に到達するまでの間におけるエネルギーの低下を抑制できる場合がある。また、ターゲット600bと基板660との垂直距離を上述の範囲まで遠くすることで、スパッタ粒子の基板660への入射方向を垂直に近づけることができるため、スパッタ粒子の衝突による基板660へのダメージを小さくすることができる場合がある。  The vertical distance between the target 600b and the substrate 660 is 10 mm to 600 mm, preferably 20 mm to 400 mm, more preferably 30 mm to 200 mm, and more preferably 40 mm to 100 mm. By reducing the vertical distance between the target 600b and the substrate 660 to the above-described range, a decrease in energy before the sputtered particles reach the substrate 660 may be suppressed. Further, by increasing the vertical distance between the target 600b and the substrate 660 to the above-described range, the incident direction of the sputtered particles to the substrate 660 can be made closer to the vertical, so that damage to the substrate 660 due to the collision of the sputtered particles can be reduced. Sometimes it can be made smaller.

図17(A)に、図15(A)および図16(A)とは異なる成膜室の断面図の例を示す。図17(A)は、対向ターゲット式スパッタリング装置である。  FIG. 17A illustrates an example of a cross-sectional view of a deposition chamber which is different from FIGS. 15A and 16A. FIG. 17A illustrates an opposed target sputtering apparatus.

図17(A)は、スパッタリング装置における成膜室の断面模式図である。図17(A)に示す成膜室は、ターゲット600aおよびターゲット600bと、ターゲット600aおよびターゲット600bをそれぞれ保持するバッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bと、バッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bを介してターゲット600aおよびターゲット600bの背面にそれぞれ配置されるマグネットユニット630aおよびマグネットユニット630bと、を有する。また、基板ホルダ670は、ターゲット600aおよびターゲット600bの間に配置される。基板ホルダ670は、ターゲット600aとターゲット600bとが向かい合っている間の領域(ターゲット間領域ともいう。)の上側に配置される。なお、成膜室に基板660を入れる場合、基板660は基板ホルダ670によって固定される。  FIG. 17A is a schematic cross-sectional view of a film formation chamber in a sputtering apparatus. 17A includes a target 600a and a target 600b, a backing plate 610a and a backing plate 610b that respectively hold the target 600a and the target 600b, and the target 600a and the backing plate 610b via the backing plate 610a and the backing plate 610b. The magnet unit 630a and the magnet unit 630b are disposed on the back surface of the target 600b. The substrate holder 670 is disposed between the target 600a and the target 600b. The substrate holder 670 is disposed above an area (also referred to as an inter-target area) between the target 600a and the target 600b. Note that when the substrate 660 is placed in the film formation chamber, the substrate 660 is fixed by the substrate holder 670.

また、図17(A)に示すように、基板ホルダ670は、ターゲット間領域の上側に配置されるが、下側に配置されても構わない。また、下側および上側に配置されても構わない。下側および上側に基板ホルダ670を配置することにより、二以上の基板を同時に成膜することができるため、生産性を高めることができる。  Further, as shown in FIG. 17A, the substrate holder 670 is disposed on the upper side of the inter-target region, but may be disposed on the lower side. Moreover, you may arrange | position on the lower side and the upper side. By disposing the substrate holders 670 on the lower side and the upper side, two or more substrates can be simultaneously formed, so that productivity can be improved.

また、図17(A)に示すように、バッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bには、電位を印加するための電源690および電源691が接続されている。バッキングプレート610aに接続する電源690と、バッキングプレート610bに接続する電源691と、の間で、交互に電位の高低が入れ替わる電位を印加する、いわゆるAC電源を用いると好ましい。また、図17(A)に示す電源690および電源691はAC電源を用いた例を示しているが、これに限られない。例えば、電源690および電源691としてRF電源、DC電源などを用いてもよい。または、電源690と電源691とで、異なる種類の電源を用いてもよい。  As shown in FIG. 17A, a power source 690 and a power source 691 for applying a potential are connected to the backing plate 610a and the backing plate 610b. It is preferable to use a so-called AC power source in which a potential at which the potential level is alternately switched is applied between a power source 690 connected to the backing plate 610a and a power source 691 connected to the backing plate 610b. Moreover, although the power supply 690 and the power supply 691 which are shown to FIG. 17 (A) have shown the example using AC power supply, it is not restricted to this. For example, an RF power source, a DC power source, or the like may be used as the power source 690 and the power source 691. Alternatively, different types of power sources may be used for the power source 690 and the power source 691.

また、基板ホルダ670はGNDに接続されていることが好ましい。また、基板ホルダ670はフローティングの状態であってもよい。  The substrate holder 670 is preferably connected to GND. Further, the substrate holder 670 may be in a floating state.

図17(B)および図17(C)は、図17(A)の一点鎖線A−B間におけるプラズマ640の電位分布を示している。図17(B)に示す電位分布は、バッキングプレート610aに高電位を印加し、バッキングプレート610bに低電位を印加した状態を示す。即ち、ターゲット600bに向けて陽イオンが加速される。図17(C)に示す電位分布は、バッキングプレート610aに低電位を印加し、バッキングプレート610bに高電位を印加した状態を示す。即ち、ターゲット600aに向けて陽イオンが加速される。図17(B)と、図17(C)と、の状態を交互に入れ替わるようにして成膜することができる。  FIGS. 17B and 17C illustrate the potential distribution of the plasma 640 between the dashed-dotted line AB in FIG. 17A. The potential distribution shown in FIG. 17B shows a state in which a high potential is applied to the backing plate 610a and a low potential is applied to the backing plate 610b. That is, positive ions are accelerated toward the target 600b. The potential distribution shown in FIG. 17C shows a state in which a low potential is applied to the backing plate 610a and a high potential is applied to the backing plate 610b. That is, positive ions are accelerated toward the target 600a. Film formation can be performed so that the states shown in FIGS. 17B and 17C are alternately switched.

図17(A)に示す構成は、ターゲット600aとターゲット600bとが平行に向かい合って配置されている。また、マグネットユニット630aとマグネットユニット630bとが、マグネットの異なる極を向かい合わせるように配置されている。このとき、磁力線は、マグネットユニット630bからマグネットユニット630aに向かう。そのため、成膜時には、マグネットユニット630aとマグネットユニット630bとで形成される磁場にプラズマ640が閉じ込められる。よって、基板ホルダ670および基板660は、プラズマ640の外側に位置する。基板660がプラズマ640の高電界領域に曝されないため、プラズマ640による損傷を低減させることができる。  In the configuration illustrated in FIG. 17A, the target 600a and the target 600b are arranged to face each other in parallel. In addition, the magnet unit 630a and the magnet unit 630b are arranged so that different poles of the magnet face each other. At this time, the lines of magnetic force are directed from the magnet unit 630b to the magnet unit 630a. Therefore, at the time of film formation, the plasma 640 is confined in the magnetic field formed by the magnet unit 630a and the magnet unit 630b. Therefore, the substrate holder 670 and the substrate 660 are located outside the plasma 640. Since the substrate 660 is not exposed to the high electric field region of the plasma 640, damage due to the plasma 640 can be reduced.

対向ターゲット式スパッタリング装置は、高真空であってもプラズマを安定に生成することができる。例えば、0.005Pa以上0.09Pa以下でも成膜が可能である。そのため、成膜時に混入する不純物の濃度を低減することができる。  The facing target sputtering apparatus can stably generate plasma even in a high vacuum. For example, film formation is possible even at 0.005 Pa or more and 0.09 Pa or less. Therefore, the concentration of impurities mixed during film formation can be reduced.

対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることによって、高真空での成膜が可能となるため、またプラズマによる損傷の少ない成膜が可能となるため、基板660の温度が低い場合でも結晶性の高い膜を成膜することができる。例えば、基板660の温度が、10℃以上100℃未満であっても結晶性の高い膜を成膜することができる。  By using an opposed target sputtering apparatus, a film can be formed at a high vacuum, and a film can be formed with little damage by plasma. Therefore, even when the temperature of the substrate 660 is low, a highly crystalline film can be formed. A film can be formed. For example, a film with high crystallinity can be formed even when the temperature of the substrate 660 is 10 ° C. or higher and lower than 100 ° C.

図18(A)に示す構成は、ターゲット600aとターゲット600bとが平行ではなく、傾いた状態で向かい合って(V字状に)配置されている点が図17(A)に示した構成と異なる。よって、ターゲットの配置以外については、図17(A)の説明を参照する。また、マグネットユニット630aとマグネットユニット630bとが異なる極が向かい合うように配置されている。基板ホルダ670および基板660は、ターゲット間領域の上に配置される。ターゲット600aおよびターゲット600bを、図18(A)に示すような配置とすることで、基板660に到達するスパッタ粒子の割合が高くなるため、堆積速度を高くすることができる。  The configuration illustrated in FIG. 18A is different from the configuration illustrated in FIG. 17A in that the target 600a and the target 600b are not parallel but are disposed to face each other in an inclined state (in a V shape). . Therefore, the description of FIG. 17A is referred to except for the arrangement of the target. Further, the magnet unit 630a and the magnet unit 630b are arranged so that different poles face each other. The substrate holder 670 and the substrate 660 are disposed on the inter-target region. By arranging the target 600a and the target 600b as shown in FIG. 18A, the ratio of sputtered particles reaching the substrate 660 increases, so that the deposition rate can be increased.

図18(B)に、対向ターゲット式スパッタリング装置の別の例を示す。  FIG. 18B illustrates another example of a counter target sputtering apparatus.

図18(B)は、対向ターゲット式スパッタリング装置における成膜室の断面模式図である。図17(A)に示す成膜室とは異なり、ターゲットシールド622およびターゲットシールド623が設けられている。また、バッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bと接続する電源691を有する。基板ホルダ670は、ターゲット間領域の上側に配置される。これにより、基板660がプラズマ640の高電界領域に曝されないため、プラズマ640による損傷を低減させることができる。  FIG. 18B is a schematic cross-sectional view of a film formation chamber in the facing target sputtering apparatus. Unlike the film formation chamber illustrated in FIG. 17A, a target shield 622 and a target shield 623 are provided. Further, the power supply 691 is connected to the backing plate 610a and the backing plate 610b. The substrate holder 670 is disposed above the inter-target region. Accordingly, since the substrate 660 is not exposed to the high electric field region of the plasma 640, damage due to the plasma 640 can be reduced.

また、図18(B)に示すように、基板ホルダ670は、ターゲット間領域の上側に配置されるが、下側に配置されても構わない。また、下側および上側に配置されても構わない。下側および上側に基板ホルダ670を配置することにより、二以上の基板を同時に成膜することができるため、生産性を高めることができる。  Further, as shown in FIG. 18B, the substrate holder 670 is arranged on the upper side of the inter-target region, but may be arranged on the lower side. Moreover, you may arrange | position on the lower side and the upper side. By disposing the substrate holders 670 on the lower side and the upper side, two or more substrates can be simultaneously formed, so that productivity can be improved.

また、図18(B)に示すように、ターゲットシールド622およびターゲットシールド623は、GNDに接続されている。つまり、電源691の電位が与えられたバッキングプレート610aおよびバッキングプレート610bと、GNDが与えられたターゲットシールド622およびターゲットシールド623と、の間に印加される電位差によって、プラズマ640が形成される。  As shown in FIG. 18B, the target shield 622 and the target shield 623 are connected to GND. That is, the plasma 640 is formed by the potential difference applied between the backing plate 610a and the backing plate 610b to which the potential of the power source 691 is applied and the target shield 622 and the target shield 623 to which GND is applied.

以上に示した対向ターゲット式スパッタリング装置は、プラズマがターゲット間の磁場に閉じこめられるため、基板へのプラズマダメージを低減することができる。また、ターゲットの傾きによって、基板へのスパッタ粒子の入射角度を浅くすることができるため、堆積される膜の段差被覆性を高めることができる。また、高真空における成膜が可能であるため、膜に混入する不純物の濃度を低減することができる。  The counter target sputtering apparatus described above can reduce plasma damage to the substrate because the plasma is confined to the magnetic field between the targets. Further, since the incident angle of the sputtered particles on the substrate can be made shallow by the inclination of the target, the step coverage of the deposited film can be improved. In addition, since film formation in a high vacuum is possible, the concentration of impurities mixed in the film can be reduced.

なお、成膜室に、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。  Note that a parallel plate sputtering apparatus or an ion beam sputtering apparatus may be applied to the film formation chamber.

<成膜装置>
以下では、本発明の一態様に係るスパッタリング用ターゲットを設置することが可能な成膜室を有する成膜装置について説明する。
<Deposition system>
Hereinafter, a film formation apparatus including a film formation chamber in which the sputtering target according to one embodiment of the present invention can be installed is described.

まずは、成膜時などに膜中に不純物の混入が少ない成膜装置の構成について図19および図20を用いて説明する。  First, a structure of a film formation apparatus in which impurities are hardly mixed in a film during film formation will be described with reference to FIGS.

図19は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置2700の上面図を模式的に示している。成膜装置2700は、基板を収容するカセットポート2761と、基板のアライメントを行うアライメントポート2762と、を備える大気側基板供給室2701と、大気側基板供給室2701から、基板を搬送する大気側基板搬送室2702と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室2703aと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室2703bと、真空中の基板の搬送を行う搬送室2704と、基板の加熱を行う基板加熱室2705と、ターゲットが配置され成膜を行う成膜室2706a、成膜室2706bおよび成膜室2706cと、を有する。なお、成膜室2706a、成膜室2706bおよび成膜室2706cは、上述した成膜室の構成を参酌することができる。  FIG. 19 schematically shows a top view of a single-wafer multi-chamber film forming apparatus 2700. The film formation apparatus 2700 includes an atmosphere-side substrate supply chamber 2701 that includes a cassette port 2761 that accommodates a substrate and an alignment port 2762 that aligns the substrate, and an atmosphere-side substrate that transports the substrate from the atmosphere-side substrate supply chamber 2701. A transfer chamber 2702, a load lock chamber 2703a for carrying in a substrate and changing the pressure in the chamber from atmospheric pressure to reduced pressure, or switching from reduced pressure to atmospheric pressure, a substrate for carrying out the substrate, and reducing the pressure in the chamber from reduced pressure to atmospheric pressure. Alternatively, an unload lock chamber 2703b for switching from atmospheric pressure to reduced pressure, a transfer chamber 2704 for transferring a substrate in a vacuum, a substrate heating chamber 2705 for heating the substrate, and a film formation chamber 2706a for forming a film with a target disposed. A film formation chamber 2706b and a film formation chamber 2706c. Note that the above-described structure of the film formation chamber can be referred to for the film formation chamber 2706a, the film formation chamber 2706b, and the film formation chamber 2706c.

また、大気側基板搬送室2702は、ロードロック室2703aおよびアンロードロック室2703bと接続され、ロードロック室2703aおよびアンロードロック室2703bは、搬送室2704と接続され、搬送室2704は、基板加熱室2705、成膜室2706a、成膜室2706bおよび成膜室2706cと接続する。  The atmosphere-side substrate transfer chamber 2702 is connected to the load lock chamber 2703a and the unload lock chamber 2703b, the load lock chamber 2703a and the unload lock chamber 2703b are connected to the transfer chamber 2704, and the transfer chamber 2704 is heated to the substrate. The chamber 2705, the film formation chamber 2706a, the film formation chamber 2706b, and the film formation chamber 2706c are connected.

なお、各室の接続部にはゲートバルブ2764が設けられており、大気側基板供給室2701と、大気側基板搬送室2702を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室2702および搬送室2704は、搬送ロボット2763を有し、基板を搬送することができる。  Note that a gate valve 2764 is provided at a connection portion of each chamber, and each chamber can be kept in a vacuum state independently of the atmosphere-side substrate supply chamber 2701 and the atmosphere-side substrate transfer chamber 2702. In addition, the atmosphere-side substrate transfer chamber 2702 and the transfer chamber 2704 have a transfer robot 2763 and can transfer a substrate.

また、基板加熱室2705は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置2700は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。  The substrate heating chamber 2705 is preferably used also as a plasma processing chamber. The film formation apparatus 2700 can transport the substrate between the processes without being exposed to the atmosphere, and thus can suppress the adsorption of impurities to the substrate. In addition, the order of film formation and heat treatment can be established freely. Note that the number of transfer chambers, film formation chambers, load lock chambers, unload lock chambers, and substrate heating chambers is not limited to the above-described numbers, and an optimal number can be provided as appropriate in accordance with installation space and process conditions.

次に、図19に示す成膜装置2700の一点鎖線X1−X2、一点鎖線Y1−Y2、および一点鎖線Y2−Y3に相当する断面を図20に示す。  Next, FIG. 20 shows a cross section corresponding to one-dot chain line X1-X2, one-dot chain line Y1-Y2, and one-dot chain line Y2-Y3 shown in FIG.

図20(A)は、基板加熱室2705と、搬送室2704の断面を示しており、基板加熱室2705は、基板を収容することができる複数の加熱ステージ2765を有している。なお、基板加熱室2705は、バルブを介して真空ポンプ2770と接続されている。真空ポンプ2770としては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。  FIG. 20A illustrates a cross section of the substrate heating chamber 2705 and the transfer chamber 2704. The substrate heating chamber 2705 includes a plurality of heating stages 2765 that can accommodate substrates. Note that the substrate heating chamber 2705 is connected to a vacuum pump 2770 through a valve. As the vacuum pump 2770, for example, a dry pump, a mechanical booster pump, or the like can be used.

また、基板加熱室2705に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)、LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)などのRTA(Rapid Thermal Anneal)を用いることができる。LRTAは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する。GRTAは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。  As a heating mechanism that can be used for the substrate heating chamber 2705, for example, a heating mechanism that heats using a resistance heating element or the like may be used. Alternatively, a heating mechanism that heats by heat conduction or heat radiation from a medium such as a heated gas may be used. For example, RTA (Rapid Thermal Anneal) such as GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) and LRTA (Lamp Rapid Thermal Anneal) can be used. LRTA heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. GRTA performs heat treatment using a high-temperature gas. An inert gas is used as the gas.

また、基板加熱室2705は、マスフローコントローラ2780を介して、精製機2781と接続される。なお、マスフローコントローラ2780および精製機2781は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。基板加熱室2705に導入されるガスは、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス(アルゴンガスなど)を用いる。  The substrate heating chamber 2705 is connected to a purifier 2781 via a mass flow controller 2780. Note that the mass flow controller 2780 and the purifier 2781 are provided as many as the number of gas types, but only one is shown for easy understanding. As the gas introduced into the substrate heating chamber 2705, a gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower can be used. For example, oxygen gas, nitrogen gas, and rare gas (such as argon gas) can be used. Use.

搬送室2704は、搬送ロボット2763を有している。搬送ロボット2763は、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室2704は、バルブを介して真空ポンプ2770と、クライオポンプ2771と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室2704は、大気圧から低真空または中真空(0.1から数百Pa程度)まで真空ポンプ2770を用いて排気され、バルブを切り替えて中真空から高真空または超高真空(0.1Paから1×10−7Pa)まではクライオポンプ2771を用いて排気される。The transfer chamber 2704 has a transfer robot 2863. The transfer robot 2763 can transfer a substrate to each chamber. The transfer chamber 2704 is connected to a vacuum pump 2770 and a cryopump 2771 through valves. With such a configuration, the transfer chamber 2704 is evacuated using a vacuum pump 2770 from atmospheric pressure to low vacuum or medium vacuum (about 0.1 to several hundred Pa), and the valve is switched to switch from medium vacuum to high vacuum. A vacuum or ultra-high vacuum (0.1 Pa to 1 × 10 −7 Pa) is exhausted using a cryopump 2771.

また、例えば、クライオポンプ2771は、搬送室2704に対して2台以上並列に接続してもよい。このような構成とすることで、1台のクライオポンプがリジェネ中であっても、残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、上述したリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子(または原子)を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子(または原子)をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。  For example, two or more cryopumps 2771 may be connected in parallel to the transfer chamber 2704. With such a configuration, even if one cryopump is being regenerated, the remaining cryopump can be used to exhaust. In addition, the regeneration mentioned above refers to the process which discharge | releases the molecule | numerator (or atom) accumulated in the cryopump. The cryopump is periodically regenerated because the exhaust capacity is reduced if molecules (or atoms) are accumulated too much.

図20(B)は、成膜室2706bと、搬送室2704と、ロードロック室2703aの断面を示している。  FIG. 20B illustrates a cross section of the deposition chamber 2706b, the transfer chamber 2704, and the load lock chamber 2703a.

ここで、図20(B)を用いて、成膜室(スパッタリング室)の詳細について説明する。図20(B)に示す成膜室2706bは、ターゲット2766aと、ターゲット2766bと、ターゲットシールド2767aと、ターゲットシールド2767bと、マグネットユニット2790aと、マグネットユニット2790bと、基板ホルダ2768と、電源2791と、を有する。図示しないが、ターゲット2766aおよびターゲット2766bは、それぞれバッキングプレートを介してターゲットホルダに固定される。また、ターゲット2766aおよびターゲット2766bには、電源2791が電気的に接続されている。マグネットユニット2790aおよびマグネットユニット2790bは、それぞれターゲット2766aおよびターゲット2766bの背面に配置される。ターゲットシールド2767aおよびターゲットシールド2767bは、それぞれターゲット2766aおよびターゲット2766bの端部を囲うように配置される。なお、ここでは基板ホルダ2768には、基板2769が支持されている。基板ホルダ2768は、可変部材2784を介して成膜室2706bに固定される。可変部材2784によって、基板ホルダ2768を移動させることができる。基板ホルダ2768は、ターゲット2766aとターゲット2766bとの間の領域(ターゲット間領域ともいう。)の上側に配置される。例えば、基板2769を支持した基板ホルダ2768をターゲット間領域の上側に配置することによって、プラズマによる損傷を低減させることができる。また、基板ホルダ2768は、図示しないが、基板2769を保持する基板保持機構や、基板2769を背面から加熱するヒーター等を備えていてもよい。  Here, the details of the film formation chamber (sputtering chamber) will be described with reference to FIG. A film formation chamber 2706b illustrated in FIG. 20B includes a target 2766a, a target 2766b, a target shield 2767a, a target shield 2767b, a magnet unit 2790a, a magnet unit 2790b, a substrate holder 2768, a power supply 2791, Have Although not shown, the target 2766a and the target 2766b are each fixed to a target holder via a backing plate. A power source 2791 is electrically connected to the target 2766a and the target 2766b. Magnet unit 2790a and magnet unit 2790b are arranged on the back of target 2766a and target 2766b, respectively. Target shield 2767a and target shield 2767b are arranged to surround the ends of target 2766a and target 2766b, respectively. Here, a substrate 2769 is supported by the substrate holder 2768. The substrate holder 2768 is fixed to the film formation chamber 2706b through the variable member 2784. The substrate holder 2768 can be moved by the variable member 2784. The substrate holder 2768 is disposed above an area between the targets 2766a and 2766b (also referred to as an inter-target area). For example, by placing the substrate holder 2768 supporting the substrate 2769 on the upper side of the inter-target region, damage due to plasma can be reduced. Although not shown, the substrate holder 2768 may include a substrate holding mechanism that holds the substrate 2769, a heater that heats the substrate 2769 from the back surface, and the like.

また、図20(B)に示すように、基板ホルダ2768は、ターゲット間領域の上側に配置されるが、下側に配置されても構わない。また、下側および上側に配置されても構わない。下側および上側に基板ホルダ2768を配置することにより、二以上の基板を同時に成膜することができるため、生産性を高めることができる。  As shown in FIG. 20B, the substrate holder 2768 is arranged on the upper side of the inter-target region, but may be arranged on the lower side. Moreover, you may arrange | position on the lower side and the upper side. By disposing the substrate holder 2768 on the lower side and the upper side, two or more substrates can be formed at the same time, so that productivity can be improved.

また、ターゲットシールド2767によって、ターゲット2766からスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制できる。ターゲットシールド2767は、累積されたスパッタ粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、またはターゲットシールド2767の表面に凹凸を設けてもよい。  Further, the target shield 2767 can suppress deposition of particles sputtered from the target 2766 in an unnecessary region. The target shield 2767 is desirably processed so that accumulated sputtered particles do not peel off. For example, blast treatment for increasing the surface roughness, or unevenness may be provided on the surface of the target shield 2767.

また、成膜室2706bは、ガス加熱機構2782を介してマスフローコントローラ2780と接続され、ガス加熱機構2782はマスフローコントローラ2780を介して精製機2781と接続される。ガス加熱機構2782により、成膜室2706bに導入されるガスを40℃以上400℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構2782、マスフローコントローラ2780、および精製機2781は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。成膜室2706bに導入されるガスは、露点が−80℃以下、好ましくは−100℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス(アルゴンガスなど)を用いる。  In addition, the film formation chamber 2706b is connected to the mass flow controller 2780 via the gas heating mechanism 2782, and the gas heating mechanism 2784 is connected to the purifier 2781 via the mass flow controller 2780. With the gas heating mechanism 2782, the gas introduced into the deposition chamber 2706b can be heated to 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. Note that the gas heating mechanism 2782, the mass flow controller 2780, and the purifier 2781 are provided as many as the number of gas types, but only one is shown for easy understanding. As the gas introduced into the film formation chamber 2706b, a gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower can be used. For example, oxygen gas, nitrogen gas, and a rare gas (such as argon gas) are used. Use.

なお、ガスの導入口の直前に精製機を設ける場合、精製機から成膜室2706bまでの配管の長さを10m以下、好ましくは5m以下、さらに好ましくは1m以下とする。配管の長さを10m以下、5m以下または1m以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。さらに、ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばSUS316L−EP配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、ガスへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手(UPG継手)を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。  Note that in the case where a purifier is provided immediately before the gas inlet, the length of the pipe from the purifier to the film formation chamber 2706b is 10 m or less, preferably 5 m or less, and more preferably 1 m or less. By setting the length of the pipe to 10 m or less, 5 m or less, or 1 m or less, the influence of the gas released from the pipe can be reduced according to the length. Further, a metal pipe whose inside is covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide or the like may be used for the gas pipe. The above-described piping has a smaller amount of gas containing impurities compared to, for example, SUS316L-EP piping, and can reduce the entry of impurities into the gas. Moreover, it is good to use a high performance ultra-small metal gasket joint (UPG joint) for the joint of piping. In addition, it is preferable that the pipes are all made of metal, because the influence of the generated released gas and external leakage can be reduced as compared with the case where resin or the like is used.

また、成膜室2706bは、バルブを介してターボ分子ポンプ2772および真空ポンプ2770と接続される。  The film formation chamber 2706b is connected to a turbo molecular pump 2772 and a vacuum pump 2770 through valves.

また、成膜室2706bは、クライオトラップ2751が設けられる。  The film formation chamber 2706b is provided with a cryotrap 2751.

クライオトラップ2751は、水などの比較的融点の高い分子(または原子)を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプ2772は大きいサイズの分子(または原子)を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップ2751が成膜室2706bに接続された構成としている。クライオトラップ2751の冷凍機の温度は100K以下、好ましくは80K以下とする。また、クライオトラップ2751が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、1段目の冷凍機の温度を100K以下とし、2段目の冷凍機の温度を20K以下とすればよい。なお、クライオトラップに替えて、チタンサブリメーションポンプを用いることで、さらに高真空とすることができる場合がある。また、クライオポンプやターボ分子ポンプに替えてイオンポンプを用いることでもさらに高真空とすることができる場合がある。  The cryotrap 2751 is a mechanism that can adsorb molecules (or atoms) having a relatively high melting point such as water. The turbo molecular pump 2772 stably exhausts large-sized molecules (or atoms) and has a low maintenance frequency, so that it is excellent in productivity, but has a low exhaust capability of hydrogen or water. Therefore, a cryotrap 2751 is connected to the film formation chamber 2706b in order to increase the exhaust capability of water or the like. The temperature of the cryotrap 2751 refrigerator is 100K or less, preferably 80K or less. Further, in the case where the cryotrap 2751 has a plurality of refrigerators, it is preferable to change the temperature for each refrigerator because exhaust can be efficiently performed. For example, the temperature of the first stage refrigerator may be 100K or less, and the temperature of the second stage refrigerator may be 20K or less. In some cases, a higher vacuum can be achieved by using a titanium sublimation pump instead of the cryotrap. In some cases, an even higher vacuum can be achieved by using an ion pump instead of the cryopump or the turbo molecular pump.

なお、成膜室2706bの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室2704に示す排気方法(クライオポンプと真空ポンプとの排気方法)と同様の構成としてもよい。もちろん、搬送室2704の排気方法を成膜室2706bと同様の構成(ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法)としてもよい。  Note that the exhaust method of the film formation chamber 2706b is not limited thereto, and a structure similar to the exhaust method (exhaust method of a cryopump and a vacuum pump) described in the above transfer chamber 2704 may be employed. Needless to say, the evacuation method of the transfer chamber 2704 may have a configuration similar to that of the film formation chamber 2706b (evacuation method using a turbo molecular pump and a vacuum pump).

なお、上述した搬送室2704、基板加熱室2705、および成膜室2706bの背圧(全圧)、ならびに各気体分子(原子)の分圧は、以下の通りとすると好ましい。とくに、形成される膜中に不純物が混入され得る可能性があるので、成膜室2706bの背圧、ならびに各気体分子(原子)の分圧には注意する必要がある。  Note that the back pressure (total pressure) of the transfer chamber 2704, the substrate heating chamber 2705, and the film formation chamber 2706b, and the partial pressure of each gas molecule (atom) are preferably as follows. In particular, since impurities may be mixed into the formed film, it is necessary to pay attention to the back pressure of the film formation chamber 2706b and the partial pressure of each gas molecule (atom).

上述した各室の背圧(全圧)は、1×10−4Pa以下、好ましくは3×10−5Pa以下、さらに好ましくは1×10−5Pa以下である。上述した各室の質量電荷比(m/z)が18である気体分子(原子)の分圧は、3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。また、上述した各室のm/zが28である気体分子(原子)の分圧は、3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。また、上述した各室のm/zが44である気体分子(原子)の分圧は、3×10−5Pa以下、好ましくは1×10−5Pa以下、さらに好ましくは3×10−6Pa以下である。The back pressure (total pressure) of each chamber described above is 1 × 10 −4 Pa or less, preferably 3 × 10 −5 Pa or less, and more preferably 1 × 10 −5 Pa or less. The partial pressure of gas molecules (atoms) having a mass-to-charge ratio (m / z) of 18 in each chamber described above is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 ×. 10 −6 Pa or less. Moreover, the partial pressure of the gas molecule (atom) whose m / z of each chamber is 28 is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 × 10 −6. Pa or less. Moreover, the partial pressure of the gas molecule (atom) whose m / z of each chamber is 44 is 3 × 10 −5 Pa or less, preferably 1 × 10 −5 Pa or less, more preferably 3 × 10 −6. Pa or less.

なお、真空チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計(Q−massともいう。)Qulee CGM−051を用いればよい。  In addition, the total pressure and partial pressure in a vacuum chamber can be measured using a mass spectrometer. For example, a quadrupole mass spectrometer (also referred to as Q-mass) Qulee CGM-051 manufactured by ULVAC, Inc. may be used.

また、上述した搬送室2704、基板加熱室2705、および成膜室2706bは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。  In addition, the transfer chamber 2704, the substrate heating chamber 2705, and the film formation chamber 2706b described above preferably have a structure with little external or internal leakage.

例えば、上述した搬送室2704、基板加熱室2705、および成膜室2706bのリークレートは、3×10−6Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。また、m/zが18である気体分子(原子)のリークレートが1×10−7Pa・m/s以下、好ましくは3×10−8Pa・m/s以下である。また、m/zが28である気体分子(原子)のリークレートが1×10−5Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。また、m/zが44である気体分子(原子)のリークレートが3×10−6Pa・m/s以下、好ましくは1×10−6Pa・m/s以下である。For example, the leakage rate of the transfer chamber 2704, the substrate heating chamber 2705, and the film formation chamber 2706b described above is 3 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less. It is. The leak rate of gas molecules (atoms) having an m / z of 18 is 1 × 10 −7 Pa · m 3 / s or less, preferably 3 × 10 −8 Pa · m 3 / s or less. The leak rate of gas molecules (atoms) having an m / z of 28 is 1 × 10 −5 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less. Further, the leak rate of gas molecules (atoms) having an m / z of 44 is 3 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less, preferably 1 × 10 −6 Pa · m 3 / s or less.

なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。  The leak rate may be derived from the total pressure and partial pressure measured using the mass spectrometer described above.

リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。  The leak rate depends on the external leak and the internal leak. An external leak is a gas flowing from outside the vacuum system due to a minute hole or a seal failure. The internal leak is caused by leakage from a partition such as a valve in the vacuum system or gas released from an internal member. In order to make the leak rate below the above-mentioned numerical value, it is necessary to take measures from both the external leak and the internal leak.

例えば、成膜室2706bの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはOリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。  For example, the open / close portion of the film formation chamber 2706b may be sealed with a metal gasket. The metal gasket is preferably a metal covered with iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide. Metal gaskets have higher adhesion than O-rings and can reduce external leakage. In addition, by using the passivation of a metal covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like, emission gas containing impurities released from the metal gasket can be suppressed, and internal leakage can be reduced.

また、成膜装置2700を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。  Further, aluminum, chromium, titanium, zirconium, nickel, or vanadium that emits less impurities and contains less impurities is used as a member that forms the film formation apparatus 2700. Further, the above-described member may be used by being coated with an alloy containing iron, chromium, nickel and the like. Alloys containing iron, chromium, nickel, etc. are rigid, heat resistant and suitable for processing. Here, if the surface irregularities of the member are reduced by polishing or the like in order to reduce the surface area, the emitted gas can be reduced.

または、前述の成膜装置2700の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。  Alternatively, the member of the film formation apparatus 2700 described above may be covered with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like.

成膜装置2700の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。  The member of the film forming apparatus 2700 is preferably made of only metal as much as possible. For example, when a viewing window made of quartz or the like is installed, the surface is made of iron fluoride, aluminum oxide, It is good to coat thinly with chromium oxide.

成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を10倍程度大きくすることができる。ベーキングは100℃以上450℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。なお、ベーキングは、ランプを用いて行うと好ましい。  The adsorbate present in the film forming chamber does not affect the pressure in the film forming chamber because it is adsorbed on the inner wall or the like, but causes gas emission when the film forming chamber is exhausted. Therefore, although there is no correlation between the leak rate and the exhaust speed, it is important to desorb the adsorbate present in the film formation chamber as much as possible and exhaust it in advance using a pump having a high exhaust capability. Note that the deposition chamber may be baked to promote desorption of the adsorbate. Baking can increase the desorption rate of the adsorbate by about 10 times. Baking may be performed at 100 ° C to 450 ° C. At this time, if the adsorbate is removed while introducing the inert gas into the film formation chamber, the desorption rate of water or the like that is difficult to desorb only by exhausting can be further increased. In addition, by heating the inert gas to be introduced to the same degree as the baking temperature, the desorption rate of the adsorbate can be further increased. Here, it is preferable to use a rare gas as the inert gas. Further, depending on the type of film to be formed, oxygen or the like may be used instead of the inert gas. For example, when an oxide film is formed, it may be preferable to use oxygen which is a main component. Note that baking is preferably performed using a lamp.

または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は2回以上30回以下、好ましくは5回以上15回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が40℃以上400℃以下、好ましくは50℃以上200℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで成膜室内の圧力を0.1Pa以上10kPa以下、好ましくは1Pa以上1kPa以下、さらに好ましくは5Pa以上100Pa以下とし、圧力を保つ期間を1分以上300分以下、好ましくは5分以上120分以下とすればよい。その後、成膜室を5分以上300分以下、好ましくは10分以上120分以下の期間排気する。  Alternatively, it is preferable to perform a process of increasing the pressure in the deposition chamber by introducing an inert gas such as a heated rare gas or oxygen, and exhausting the deposition chamber again after a predetermined time. By introducing the heated gas, the adsorbate in the deposition chamber can be desorbed, and impurities present in the deposition chamber can be reduced. In addition, it is effective when this treatment is repeated 2 times or more and 30 times or less, preferably 5 times or more and 15 times or less. Specifically, by introducing an inert gas or oxygen having a temperature of 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the pressure in the deposition chamber is 0.1 Pa or higher and 10 kPa or lower, preferably The pressure may be 1 Pa or more and 1 kPa or less, more preferably 5 Pa or more and 100 Pa or less, and the period for maintaining the pressure may be 1 minute or more and 300 minutes or less, preferably 5 minutes or more and 120 minutes or less. After that, the film formation chamber is evacuated for a period of 5 minutes to 300 minutes, preferably 10 minutes to 120 minutes.

また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。  Further, the desorption rate of the adsorbate can be further increased by performing dummy film formation. Dummy film formation is performed by depositing a film on the dummy substrate by sputtering or the like, thereby depositing a film on the dummy substrate and the inner wall of the film forming chamber, and depositing impurities on the film forming chamber and adsorbed material on the inner wall of the film forming film. It means confining inside. The dummy substrate is preferably a substrate that emits less gas. By performing dummy film formation, the impurity concentration in a film to be formed later can be reduced. The dummy film formation may be performed simultaneously with baking.

次に、図20(B)に示す搬送室2704、およびロードロック室2703aと、図20(C)に示す大気側基板搬送室2702、および大気側基板供給室2701の詳細について以下説明を行う。なお、図20(C)は、大気側基板搬送室2702、および大気側基板供給室2701の断面を示している。  Next, details of the transfer chamber 2704 and the load lock chamber 2703a illustrated in FIG. 20B and the atmosphere-side substrate transfer chamber 2702 and the atmosphere-side substrate supply chamber 2701 illustrated in FIG. 20C will be described below. Note that FIG. 20C illustrates a cross section of the atmosphere-side substrate transfer chamber 2702 and the atmosphere-side substrate supply chamber 2701.

図20(B)に示す搬送室2704については、図20(A)に示す搬送室2704の記載を参照する。  For the transfer chamber 2704 illustrated in FIG. 20B, the description of the transfer chamber 2704 illustrated in FIG.

ロードロック室2703aは、基板受け渡しステージ2752を有する。ロードロック室2703aは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室2703aの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室2702に設けられている搬送ロボット2763から基板受け渡しステージ2752に基板を受け取る。その後、ロードロック室2703aを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室2704に設けられている搬送ロボット2763が基板受け渡しステージ2752から基板を受け取る。  The load lock chamber 2703 a has a substrate transfer stage 2752. The load lock chamber 2703a raises the pressure from the reduced pressure state to the atmosphere, and when the pressure in the load lock chamber 2703a reaches the atmospheric pressure, the transfer robot 2763 provided in the atmosphere side substrate transfer chamber 2702 moves to the substrate transfer stage 2752. Receive the board. After that, the load lock chamber 2703a is evacuated to a reduced pressure state, and then the transfer robot 2762 provided in the transfer chamber 2704 receives the substrate from the substrate transfer stage 2752.

また、ロードロック室2703aは、バルブを介して真空ポンプ2770、およびクライオポンプ2771と接続されている。真空ポンプ2770、およびクライオポンプ2771の排気系の接続方法は、搬送室2704の接続方法を参考とすることで接続できるため、ここでの説明は省略する。なお、図19に示すアンロードロック室2703bは、ロードロック室2703aと同様の構成とすることができる。  The load lock chamber 2703a is connected to a vacuum pump 2770 and a cryopump 2771 through valves. Since the connection method of the exhaust system of the vacuum pump 2770 and the cryopump 2771 can be connected by referring to the connection method of the transfer chamber 2704, description thereof is omitted here. Note that the unload lock chamber 2703b shown in FIG. 19 can have the same configuration as the load lock chamber 2703a.

大気側基板搬送室2702は、搬送ロボット2763を有する。搬送ロボット2763により、カセットポート2761とロードロック室2703aとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室2702、および大気側基板供給室2701の上方にHEPAフィルタ(High Efficiency Particulate Air Filter)等のゴミまたはパーティクルを清浄化するための機構を設けてもよい。  The atmosphere-side substrate transfer chamber 2702 has a transfer robot 2763. The transfer robot 2763 can transfer the substrate between the cassette port 2761 and the load lock chamber 2703a. Further, a mechanism for cleaning dust or particles such as a HEPA filter (High Efficiency Particulate Air Filter) may be provided above the atmosphere side substrate transfer chamber 2702 and the atmosphere side substrate supply chamber 2701.

大気側基板供給室2701は、複数のカセットポート2761を有する。カセットポート2761は、複数の基板を収容することができる。  The atmosphere side substrate supply chamber 2701 has a plurality of cassette ports 2761. The cassette port 2761 can accommodate a plurality of substrates.

ターゲットは、表面温度が100℃以下、好ましくは50℃以下、さらに好ましくは室温程度(代表的には25℃)とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることで亜鉛などが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや、バッキングプレートとターゲットとの接合に用いているボンディング材の金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。したがって、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。  The target has a surface temperature of 100 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower, more preferably about room temperature (typically 25 ° C.). In a sputtering apparatus corresponding to a large area substrate, a large area target is often used. However, it is difficult to seamlessly produce a target having a size corresponding to a large area. In reality, a large number of targets are arranged side by side with as little gap as possible, but a slight gap is inevitably generated. From such a slight gap, the surface temperature of the target is increased, so that zinc and the like are volatilized, and the gap may gradually widen. When the gap is widened, the backing plate or the metal of the bonding material used for joining the backing plate and the target may be sputtered, which increases the impurity concentration. Therefore, it is preferable that the target is sufficiently cooled.

具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属(具体的には銅)を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。  Specifically, a metal (specifically, copper) having high conductivity and high heat dissipation is used as the backing plate. Moreover, a target can be efficiently cooled by forming a water channel in the backing plate and flowing a sufficient amount of cooling water through the water channel.

なお、ターゲットが亜鉛を含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、亜鉛の揮発が起こりにくい酸化物半導体を得ることができる。  Note that in the case where the target includes zinc, an oxide semiconductor in which plasma damage is reduced and zinc is less likely to volatilize can be obtained by forming the film in an oxygen gas atmosphere.

上述した成膜装置を用いることで、水素濃度が、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下である酸化物半導体を成膜することができる。By using the above-described film formation apparatus, the hydrogen concentration is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 in secondary ion mass spectrometry (SIMS). Hereinafter, an oxide semiconductor with a thickness of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less can be formed.

また、窒素濃度が、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm以下、より好ましくは5×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1018atoms/cm以下である酸化物半導体を成膜することができる。Further, the nitrogen concentration in SIMS is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and further preferably 1 × 10 9. An oxide semiconductor with a density of 18 atoms / cm 3 or less can be formed.

また、炭素濃度が、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以下である酸化物半導体を成膜することができる。In addition, the carbon concentration in SIMS 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 even more preferably 5 × 10. An oxide semiconductor with a density of 17 atoms / cm 3 or less can be formed.

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

また、昇温脱離ガス分光法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)分析によるm/zが2(水素分子など)である気体分子(原子)、m/zが18である気体分子(原子)、m/zが28である気体分子(原子)およびm/zが44である気体分子(原子)の放出量が、それぞれ1×1019個/cm以下、好ましくは1×1018個/cm以下である酸化物半導体を成膜することができる。In addition, a gas molecule (atom) in which m / z is 2 (such as a hydrogen molecule) by a temperature desorption gas spectroscopy (TDS) analysis, a gas molecule (atom) in which m / z is 18, m The release amount of gas molecules (atoms) with / z of 28 and gas molecules (atoms) with m / z of 44 is 1 × 10 19 pieces / cm 3 or less, preferably 1 × 10 18 pieces / cm 3, respectively. The following oxide semiconductor can be formed.

以上の成膜装置を用いることで、酸化物半導体への不純物の混入を抑制できる。さらには、以上の成膜装置を用いて、酸化物半導体に接する膜を成膜することで、酸化物半導体に接する膜から酸化物半導体へ不純物が混入することを抑制できる。  By using the above film formation apparatus, entry of impurities into the oxide semiconductor can be suppressed. Further, by using the above deposition apparatus to form a film in contact with the oxide semiconductor, the entry of impurities from the film in contact with the oxide semiconductor into the oxide semiconductor can be suppressed.

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

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ナノクラスターともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。  A CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as nanoclusters).

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図21(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) is described. For example, when CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) as illustrated in FIG. Shows a peak near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has a c-axis orientation, and the plane on which the c-axis forms a CAAC-OS film (formation target) It can also be confirmed that it faces a direction substantially perpendicular to the upper surface. In addition to the peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. The peak where 2θ is around 36 ° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC-OS preferably does not show the peak.

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図21(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図21(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。On the other hand, when structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction parallel to a formation surface, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Even if 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 ° with respect to single crystal InGaZnO 4 , six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. Is done. Therefore, structural analysis using XRD can confirm that the CAAC-OS has irregular orientations in the a-axis and the b-axis.

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図21(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるナノクラスターがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図21(E)に示す。図21(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるナノクラスターのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図21(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図21(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal in parallel with a formation surface of the CAAC-OS, a diffraction pattern (restricted field of view) illustrated in FIG. Sometimes referred to as an electron diffraction pattern). This diffraction pattern includes spots caused by the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction shows that the nanocluster included in the CAAC-OS has c-axis alignment, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 21E shows a diffraction pattern obtained when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. A ring-shaped diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm, it can be seen that the a-axis and b-axis of the nanocluster included in the CAAC-OS have no orientation. Note that the first ring in FIG. 21E is considered to be derived from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 21E is considered to be due to the (110) plane or the like.

<酸化物半導体の構造>
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、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OS、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 oxide semiconductor>
An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As examples of the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS, a pseudo-like oxide semiconductor (a-like OS), an amorphous oxide semiconductor, and the like There is.

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OSなどがある。  From another viewpoint, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.

nc−OSは、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認されない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるナノクラスターと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をナノクラスターと呼ぶ場合がある。  The nc-OS has a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. In many cases, a crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal part is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is sometimes referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. In nc-OS, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in a high-resolution TEM image. Note that the nanocrystal may have the same origin as the nanocluster in the CAAC-OS. Therefore, in the following, the crystal part of the nc-OS may be referred to as a nanocluster.

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、異なるナノクラスター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。例えば、nc−OSに対し、ナノクラスターよりも大きい径のX線を用いた場合、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、nc−OSに対し、ナノクラスターよりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OSに対し、ナノクラスターの大きさと近いかナノクラスターより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OSに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。  The nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanoclusters. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method. For example, when an X-ray having a diameter larger than that of the nanocluster is used for nc-OS, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis by the out-of-plane method. Further, when electron diffraction using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the nanocluster is performed on the nc-OS, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. On the other hand, spots are observed when nc-OS is subjected to nanobeam electron diffraction using an electron beam having a probe diameter close to or smaller than that of the nanocluster. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a region with high luminance may be observed like a circle (in a ring shape). Furthermore, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.

このように、ナノクラスター(ナノ結晶)間では結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。  Thus, since the crystal orientation does not have regularity between nanoclusters (nanocrystals), nc-OS is replaced with an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals), or NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called an oxide semiconductor.

nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OSは、異なるナノクラスター間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。  The nc-OS is an oxide semiconductor that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the nc-OS has a lower density of defect states than an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor. However, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanoclusters. Therefore, the nc-OS has a higher density of defect states than the CAAC-OS.

また、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。  The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and the amorphous oxide semiconductor.

a−like OSは、高分解能TEM像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。  In the a-like OS, a void may be observed in a high-resolution TEM image. Moreover, in a high-resolution TEM image, it has the area | region which can confirm a crystal part clearly, and the area | region which cannot confirm a crystal part.

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。例えば、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。  Since it has a void, the a-like OS has an unstable structure. Hereinafter, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with the CAAC-OS and the nc-OS, changes in the structure due to electron irradiation are shown. For example, in the a-like OS, a crystal part may be grown by electron irradiation. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, the crystal part is hardly grown by electron irradiation. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure compared to the nc-OS and the CAAC-OS.

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

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

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。  Note that there may be no single crystal having the same composition. In that case, the density corresponding to the single crystal in a desired composition can be estimated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably estimated by combining as few kinds of single crystals as possible.

非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。  As the definition of the amorphous structure, it is generally known that it is not fixed in a metastable state, isotropic and does not have a heterogeneous structure, and the like. Moreover, it can be paraphrased as a structure having a flexible bond angle and short-range order, but not long-range order.

逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、a−like OSは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆を有し、かつ後述するように不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。  In other words, an intrinsically stable oxide semiconductor cannot be referred to as a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (eg, has a periodic structure in a minute region) cannot be referred to as a completely amorphous oxide semiconductor. However, the a-like OS has a periodic structure in a minute region, but has a void and an unstable structure as described later. Therefore, it can be said that it is close to an amorphous oxide semiconductor in terms of physical properties.

このように、不安定であることを定義の一とする非晶質酸化物半導体は、例えば、トランジスタのチャネル形成領域になり得たとしても、製品としての実用性に耐えない可能性がある。これは、a−like OSについても同様である。したがって、製品に用いる場合、非晶質酸化物半導体およびa−like OSの成分は少ない、または存在しないことが好ましい。  As described above, an amorphous oxide semiconductor whose definition is unstable is, for example, not likely to be practical as a product even if it can be a channel formation region of a transistor. The same applies to the a-like OS. Therefore, when used in a product, it is preferable that the amorphous oxide semiconductor and the a-like OS have few or no components.

また、単結晶酸化物半導体は、高い結晶性を有するものの、形成に高いプロセス温度を要するため、生産性を考慮すると実用的でない可能性がある。また、多結晶酸化物半導体は、結晶粒内の結晶性は高いものの、結晶粒界を有するため、ばらつきなどが生じやすい可能性がある。  In addition, although a single crystal oxide semiconductor has high crystallinity, a high process temperature is required for formation; therefore, it may not be practical in consideration of productivity. In addition, although a polycrystalline oxide semiconductor has high crystallinity in crystal grains, it has a crystal grain boundary and thus may easily vary.

一方、CAAC−OSおよびnc−OSは、高い安定性を有し、かつ上述した成膜方法によって基板温度500℃未満でも成膜することができる。また、明確な結晶粒界を有さないため、均質でばらつきなども生じにくい。例えば、第8世代以上の大面積基板上にも均質に成膜できるため、高い信頼性と高い実用性を兼ね備える構造であるといえる。  On the other hand, the CAAC-OS and the nc-OS have high stability and can be formed even at a substrate temperature of less than 500 ° C. by the above-described film formation method. Moreover, since there is no clear crystal grain boundary, it is homogeneous and hardly causes variations. For example, it can be said that the structure has high reliability and high practicality because it can be uniformly formed on a large-area substrate of the eighth generation or higher.

<電子顕微鏡による解析>
以下では、CAAC−OSおよびnc−OSを、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって解析する。
<Analysis by electron microscope>
In the following, CAAC-OS and nc-OS are analyzed by a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope).

まずは、解析する試料について説明する。  First, the sample to be analyzed will be described.

試料X1は、石英ガラス基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:4:5[原子数比])ターゲット(直径が101.6mmの円形)を用いたPESPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は200W(DC)、成膜圧力は0.4Pa、ターゲット−基板間距離(ターゲットから基板ホルダまでの距離)は130mm、成膜ガスはアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱なしの条件とした。  Sample X1 was formed by PESP using an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 4: 5 [atomic ratio]) target (circular with a diameter of 101.6 mm) on a quartz glass substrate. It has a 100 nm-thick In—Ga—Zn oxide film. In addition, the deposition power is 200 W (DC), the deposition pressure is 0.4 Pa, the target-substrate distance (distance from the target to the substrate holder) is 130 mm, the deposition gas is 30 sccm of argon gas and 10 sccm of oxygen gas, and the substrate is heated. None.

試料X2は、石英ガラス基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:4:5[原子数比])ターゲット(直径が101.6mmの円形)を用いたPESPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は200W(DC)、成膜圧力は0.4Pa、ターゲット−基板間距離(ターゲットから基板ホルダまでの距離)は130mm、成膜ガスはアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱あり(基板温度200℃)の条件とした。  Sample X2 was formed by PESP using an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 4: 5 [atomic ratio]) target (circular with a diameter of 101.6 mm) on a quartz glass substrate. It has a 100 nm-thick In—Ga—Zn oxide film. In addition, the deposition power is 200 W (DC), the deposition pressure is 0.4 Pa, the target-substrate distance (distance from the target to the substrate holder) is 130 mm, the deposition gas is 30 sccm of argon gas and 10 sccm of oxygen gas, and the substrate is heated. Yes (substrate temperature 200 ° C.).

試料X3は、石英ガラス基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:4:5[原子数比])ターゲット(125mm×190mmの長方形)を2枚用いたVDSPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は1200W(DC)、成膜圧力は0.3Pa、ターゲット−基板間距離(一対のターゲットの中心を結ぶ線から基板ホルダまでの距離)は250mm、成膜ガスはアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱なしの条件とした。  Sample X3 was formed by VDSP using two In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 4: 5 [atomic ratio]) targets (125 mm × 190 mm rectangle) on a quartz glass substrate. It has a 100 nm-thick In—Ga—Zn oxide film. In addition, the deposition power is 1200 W (DC), the deposition pressure is 0.3 Pa, the target-substrate distance (the distance from the line connecting the centers of the pair of targets to the substrate holder) is 250 mm, and the deposition gas is an argon gas of 30 sccm. The oxygen gas was 10 sccm and the substrate was not heated.

試料X4は、石英ガラス基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:4:5[原子数比])ターゲット(125mm×190mmの長方形)を2枚用いたVDSPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は1200W(DC)、成膜圧力は0.05Pa、ターゲット−基板間距離(一対のターゲットの中心を結ぶ線から基板ホルダまでの距離)は250mm、成膜ガスはアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱なしの条件とした。  Sample X4 was formed by VDSP using two In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 4: 5 [atomic ratio]) targets (125 mm × 190 mm rectangle) on a quartz glass substrate. It has a 100 nm-thick In—Ga—Zn oxide film. In addition, the deposition power is 1200 W (DC), the deposition pressure is 0.05 Pa, the distance between the target and the substrate (the distance from the line connecting the centers of the pair of targets to the substrate holder) is 250 mm, and the deposition gas is an argon gas of 30 sccm. The oxygen gas was 10 sccm and the substrate was not heated.

<断面TEM>
以下では、断面TEM像で現れるCAAC−OSおよびnc−OSの特徴について説明する。
<Cross-section TEM>
Hereinafter, features of the CAAC-OS and the nc-OS that appear in the cross-sectional TEM image are described.

まずは、TEMにおける断面像(断面TEM像ともいう。)の画像解析を行う。なお、断面TEM像は、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いて観察した。また、断面TEM像の取得には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いた。なお、断面TEM像中に白矢印で挟まれた領域が一つのナノクラスターを示している。  First, image analysis of a cross-sectional image (also referred to as a cross-sectional TEM image) in TEM is performed. The cross-sectional TEM image was observed using a spherical aberration corrector function. Moreover, JEOL Co., Ltd. atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F was used for acquisition of a cross-sectional TEM image. Note that a region sandwiched by white arrows in the cross-sectional TEM image indicates one nanocluster.

図22(A)に、試料面と略平行な方向から観察した試料X1の断面TEM像を示す。断面TEM像の観察には、球面収差補正機能を用いた。図22(B)は、図22(A)をさらに拡大した断面TEM像である。図22(B)より、ナノクラスターを確認することができる。ナノクラスターの向きは、不規則であるため、試料X1はnc−OSであることがわかる。  FIG. 22A shows a cross-sectional TEM image of the sample X1 observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction function was used for observation of the cross-sectional TEM image. FIG. 22B is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. From FIG. 22B, nanoclusters can be confirmed. Since the orientation of the nanocluster is irregular, it can be seen that the sample X1 is nc-OS.

図23(A)に、試料面と略平行な方向から観察した試料X2の断面TEM像を示す。断面TEM像の観察には、球面収差補正機能を用いた。図23(B)は、図23(A)をさらに拡大した断面TEM像である。図23(B)より、ナノクラスターを確認することができる。ナノクラスターの向きは、膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映しており、膜の被形成面または上面と平行となる。このように、試料X2は、断面TEM像においても結晶の歪みを観察することができる。ナノクラスターの向きがc軸に配向しているため、試料X2はCAAC−OSであることがわかる。  FIG. 23A shows a cross-sectional TEM image of the sample X2 observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction function was used for observation of the cross-sectional TEM image. FIG. 23B is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. From FIG. 23B, nanoclusters can be confirmed. The orientation of the nanocluster reflects the unevenness of the surface (also referred to as a surface to be formed) or the upper surface of the film, and is parallel to the surface or upper surface of the film. As described above, the sample X2 can observe crystal distortion even in a cross-sectional TEM image. Since the direction of the nanocluster is aligned with the c-axis, it can be seen that the sample X2 is a CAAC-OS.

図24(A)に、試料面と略平行な方向から観察した試料X3の断面TEM像を示す。断面TEM像の観察には、球面収差補正機能を用いた。図24(B)は、図24(A)をさらに拡大した断面TEM像である。図24(B)より、ナノクラスターを確認することができる。ナノクラスターの向きは、不規則であるため、試料X3はnc−OSであることがわかる。  FIG. 24A shows a cross-sectional TEM image of the sample X3 observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction function was used for observation of the cross-sectional TEM image. FIG. 24B is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. From FIG. 24B, nanoclusters can be confirmed. Since the orientation of the nanocluster is irregular, it can be seen that the sample X3 is nc-OS.

図25(A)に、試料面と略平行な方向から観察した試料X4の断面TEM像を示す。断面TEM像の観察には、球面収差補正機能を用いた。図25(B)は、図25(A)をさらに拡大した断面TEM像である。図25(B)より、ナノクラスターを確認することができる。ナノクラスターの向きは、膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映しており、膜の被形成面または上面と平行となる。このように、試料X4は、断面TEM像においても結晶の歪みを観察することができる。ナノクラスターの向きがc軸に配向しているため、試料X4はCAAC−OSであることがわかる。  FIG. 25A shows a cross-sectional TEM image of the sample X4 observed from a direction substantially parallel to the sample surface. A spherical aberration correction function was used for observation of the cross-sectional TEM image. FIG. 25B is a cross-sectional TEM image obtained by further enlarging FIG. From FIG. 25B, nanoclusters can be confirmed. The orientation of the nanocluster reflects the unevenness of the surface (also referred to as a surface to be formed) or the upper surface of the film, and is parallel to the surface or upper surface of the film to be formed. Thus, the sample X4 can observe crystal distortion even in a cross-sectional TEM image. Since the direction of the nanocluster is aligned with the c-axis, it can be seen that the sample X4 is a CAAC-OS.

下表に、試料X1、試料X2、試料X3および試料X4における、ナノクラスターの大きさ(ナノクラスターの平面方向の長さ)の平均値、標準偏差σ、最大値および最小値、ならびにナノクラスターの向きの分布を示す。ナノクラスターの向きは、石英ガラス基板表面に対するナノクラスター平面の傾きとする。また、試料X1、試料X2、試料X3および試料X4のナノクラスターの大きさの分布を、それぞれ図26(A)、図26(B)、図26(C)および図26(D)に示す。  The following table shows the average value, standard deviation σ, maximum value and minimum value of nanocluster size (length in the planar direction of the nanocluster), and the maximum value of the nanocluster in Sample X1, Sample X2, Sample X3, and Sample X4. The orientation distribution is shown. The direction of the nanocluster is the inclination of the nanocluster plane with respect to the surface of the quartz glass substrate. In addition, the nanocluster size distributions of Sample X1, Sample X2, Sample X3, and Sample X4 are shown in FIGS. 26 (A), 26 (B), 26 (C), and 26 (D), respectively.

Figure 2017115209
Figure 2017115209

上表などより、PESPで成膜したIn−Ga−Zn酸化物は、基板加熱の有無によってCAAC−OSとnc−OSとが作り分けられることがわかった。また、VDSPで成膜したIn−Ga−Zn酸化物は、基板加熱なしでも成膜圧力を低く、高真空にすることでCAAC−OSとなることがわかった。また、VDSPで成膜したIn−Ga−Zn酸化物は、PESPで成膜したIn−Ga−Zn酸化物よりも、ナノクラスターの平均の大きく、かつ標準偏差が大きいことがわかった。特に、試料X4においては、ナノクラスターの平均の大きさが3nm以上と大きく、かつ標準偏差が大きいことがわかった。  From the above table and the like, it was found that in an In—Ga—Zn oxide formed by PESP, a CAAC-OS and an nc-OS were separately formed depending on the presence or absence of substrate heating. In addition, it was found that an In—Ga—Zn oxide film formed by VDSP has a low film formation pressure even without substrate heating and becomes a CAAC-OS when a high vacuum is applied. In addition, it was found that the In—Ga—Zn oxide formed by VDSP has a larger average nanocluster and a larger standard deviation than the In—Ga—Zn oxide formed by PESP. In particular, in sample X4, the average size of the nanoclusters was as large as 3 nm or more, and the standard deviation was large.

図23(B)および図25(B)に示すように、CAAC−OSは特徴的な原子配列を有する。また、図26より、ナノクラスター一つの大きさは1nm以上10nm以下程度であることが多い。このような特徴から、ナノクラスターをナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、c軸配向したナノ結晶(CANC:C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。  As shown in FIGS. 23B and 25B, the CAAC-OS has a characteristic atomic arrangement. In addition, from FIG. 26, the size of one nanocluster is often about 1 nm to 10 nm. From such characteristics, the nanocluster can also be called a nanocrystal (nc). The CAAC-OS can also be referred to as an oxide semiconductor including c-axis aligned nanocrystals (CANC: C-Axis Aligned nanocrystals).

また、図22(B)および図24(B)に示すように、nc−OSは層状の原子配列を有さないことがわかる。よって、nc−OSを、特定の方向に配向していないナノ結晶(RANC:Random Aligned nanocrystalsまたはNANC:Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。  Further, as shown in FIGS. 22B and 24B, it can be seen that the nc-OS does not have a layered atomic arrangement. Therefore, the nc-OS can also be referred to as an oxide semiconductor including nanocrystals (RANC: Random Aligned nanocrystals or NANC: Non-Aligned nanocrystals) that are not oriented in a specific direction.

<平面TEM>
断面TEMに限らず、複数の手法を用いることで、より厳密な構造の特定が可能となる。以下では、TEMにおける平面像(平面TEM像ともいう。)の画像解析を行う。なお、平面TEM像は、球面収差補正機能を用いて観察した。また、平面TEM像の取得には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いた。
<Plane TEM>
Not only the cross-section TEM but also a plurality of methods can be used to specify a more strict structure. In the following, image analysis of a planar image (also referred to as a planar TEM image) in TEM is performed. The planar TEM image was observed using a spherical aberration correction function. Moreover, JEOL atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F was used for acquisition of a planar TEM image.

図27(A)は、試料X4の平面TEM像である。図27(B)は、図27(A)を画像処理した像である。画像処理は、まず図27(A)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において2.8nm−1から5.0nm−1の範囲を残してマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することでFFTフィルタリング像を取得する。図27(B)は、図27(A)のFFTフィルタリング像である。図27(A)および図27(B)より、試料X4は、六角形状および三角形状の原子配列を有し、かつ結晶方位の異なる領域間の境界は明確ではないことがわかる。したがって、試料X4は、平面TEM像からもCAAC−OSの特徴を有することがわかる。FIG. 27A is a planar TEM image of sample X4. FIG. 27B is an image obtained by performing image processing on FIG. In the image processing, first, an FFT image is acquired by performing Fast Fourier Transform (FFT) processing on FIG. Next, mask processing, leaving the scope of 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1 in the FFT image acquired. Next, an FFT filtered image is obtained by performing an inverse fast Fourier transform (IFFT) process on the masked FFT image. FIG. 27B is the FFT filtered image of FIG. 27A and 27B show that sample X4 has a hexagonal and triangular atomic arrangement, and the boundary between regions having different crystal orientations is not clear. Therefore, it can be seen that the sample X4 has the characteristics of CAAC-OS from the planar TEM image.

図28(A)は、図27(A)に領域A、領域B、領域Cおよび領域Dを示した平面TEM像である。図28(B)は、図27(B)を画像解析した像であり、図28(A)と同じ箇所に領域A、領域B、領域Cおよび領域Dを示す。  FIG. 28A is a planar TEM image showing the regions A, B, C, and D in FIG. FIG. 28B is an image obtained by analyzing the image of FIG. 27B, and shows a region A, a region B, a region C, and a region D at the same position as FIG.

画像解析の方法について説明する。まず、FFTフィルタリング像から格子点を抽出する。格子点の抽出は、以下の手順で行う。まず、FFTフィルタリング像のノイズを除去する処理を行う。ノイズを除去する処理は、半径0.05nmの範囲における輝度を以下の式(2)によって平滑化することで行う。  An image analysis method will be described. First, lattice points are extracted from the FFT filtered image. The extraction of grid points is performed according to the following procedure. First, processing for removing noise from the FFT filtered image is performed. The process of removing noise is performed by smoothing the luminance within a radius of 0.05 nm by the following equation (2).

Figure 2017115209
Figure 2017115209

ここで、S_Int(x,y)は座標(x,y)における平滑化された輝度を示し、rは座標(x,y)と座標(x’,y’)との距離を示し、Int(x’,y’)は、座標(x’,y’)における輝度を示す。なお、rが0のときは、rを1として計算する。  Here, S_Int (x, y) indicates the smoothed luminance at the coordinates (x, y), r indicates the distance between the coordinates (x, y) and the coordinates (x ′, y ′), and Int ( x ′, y ′) indicates the luminance at the coordinates (x ′, y ′). When r is 0, r is set as 1.

次に、格子点の探索を行う。格子点の条件は、半径0.22nm内で最も輝度が高い座標とする。ここでは、格子点候補が抽出される。なお、半径0.22nm内であれば、ノイズによる格子点の誤検出の頻度を小さくすることができる。また、TEM像では格子点間に一定の距離があるため、半径0.22nm内には二つ以上の格子点が含まれる可能性は低い。  Next, a lattice point is searched. The condition of the lattice point is a coordinate having the highest luminance within a radius of 0.22 nm. Here, lattice point candidates are extracted. If the radius is within 0.22 nm, the frequency of erroneous detection of grid points due to noise can be reduced. In the TEM image, since there is a certain distance between the lattice points, it is unlikely that two or more lattice points are included in the radius of 0.22 nm.

次に、抽出された格子点候補を中心に、半径0.22nm内で最も輝度の高い座標を抽出し、格子点候補を更新する。このようにして、格子点候補の抽出を繰り返し、新たな格子点候補が現れなくなったときの座標を格子点として認定する。同様に、認定された格子点から0.22nm以上離れた位置において、新たな格子点の認定を行う。こうして、全ての範囲で格子点を認定する。得られた複数の格子点は、まとめて格子点群と呼ぶ。  Next, centering on the extracted lattice point candidate, the coordinate having the highest luminance within the radius of 0.22 nm is extracted, and the lattice point candidate is updated. In this way, extraction of grid point candidates is repeated, and the coordinates when no new grid point candidates appear are recognized as grid points. Similarly, a new lattice point is recognized at a position separated by 0.22 nm or more from the recognized lattice point. In this way, the grid points are recognized over the entire range. The obtained plurality of lattice points are collectively referred to as a lattice point group.

次に、抽出した格子点群から六角形格子の角度を導出する方法について、図29(A)、図29(B)および図29(C)に示す模式図、ならびに図29(D)に示すフローチャートを用いて説明する。まず、基準格子点を定め、その最近接である6点の近接格子点を結び、六角形格子を形成する(図29(A)、図29(D)ステップS101参照。)。その後、該六角形格子の中心点である基準格子点から頂点である各格子点までの距離の平均値Rを導出する。算出したRを各頂点までの距離とし、基準格子点を中心点とした正六角形を形成する(図29(D)ステップS102参照。)。このとき、正六角形の各頂点と、それぞれに最も近い近接格子点との距離を距離d1、距離d2、距離d3、距離d4、距離d5および距離d6とする(図29(D)ステップS103参照。)。次に、正六角形を、中心点を基準に0.1°刻みで0°から60°まで回転させ、回転した正六角形と六角形格子との平均のずれ[D=(d1+d2+d3+d4+d5+d6)/6]を算出する(図29(D)ステップS104参照。)。そして、平均のずれDが最小となるときの正六角形の回転角度θを求め、六角形格子の角度とする(図29(D)ステップS105)。  Next, a method for deriving the angle of the hexagonal lattice from the extracted lattice point group is shown in the schematic diagrams shown in FIGS. 29A, 29B, and 29C, and FIG. 29D. This will be described with reference to a flowchart. First, a reference lattice point is determined, and the six closest lattice points that are the closest are connected to form a hexagonal lattice (see step S101 in FIGS. 29A and 29D). Thereafter, an average value R of the distances from the reference lattice point that is the center point of the hexagonal lattice to each lattice point that is the vertex is derived. The calculated R is the distance to each vertex, and a regular hexagon with the reference grid point as the center point is formed (see step S102 in FIG. 29D). At this time, the distances between the apexes of the regular hexagon and the closest neighboring lattice points are distance d1, distance d2, distance d3, distance d4, distance d5, and distance d6 (see step S103 in FIG. 29D). ). Next, the regular hexagon is rotated from 0 ° to 60 ° in increments of 0.1 ° with respect to the center point, and the average deviation [D = (d1 + d2 + d3 + d4 + d5 + d6) / 6] between the rotated regular hexagon and the hexagonal lattice is calculated. Calculate (see step S104 in FIG. 29D). Then, the rotation angle θ of the regular hexagon when the average deviation D is the minimum is obtained and set as the angle of the hexagonal lattice (step S105 in FIG. 29D).

次に、平面TEM像の観察範囲において、六角形格子の角度が30°となる割合が最も高くなるように調整する。そして、半径1nmの範囲において、六角形格子の角度の平均値を算出する。こうして得られた平面TEM像の画像解析の結果を、六角形格子の角度に応じた色または濃淡で表示することができる。図28(B)は、図28(A)を上述の方法により画像解析し、六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。  Next, in the observation range of the planar TEM image, adjustment is performed so that the ratio at which the angle of the hexagonal lattice is 30 ° is the highest. Then, an average value of the angles of the hexagonal lattice is calculated in a radius range of 1 nm. The result of the image analysis of the planar TEM image obtained in this way can be displayed in a color or shade corresponding to the angle of the hexagonal lattice. FIG. 28B is an image obtained by analyzing the image of FIG. 28A by the above-described method and showing the light and shade according to the angle of the hexagonal lattice.

図28(B)より、試料X4は、六角形格子の角度の揃った領域を複数有することがわかる。図30(A)は、領域Aを拡大した平面TEM像である。図30(B)は、領域Aにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示した平面TEM像である。図30(C)は、領域AにおけるFFTフィルタリング像である。図30(D)は、領域Aにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示したFFTフィルタリング像である。図30(E)は、領域Aにおける六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。なお、図30(E)において、白点線は六角形格子の角度が変化する境界部を示し、黒点線は六角形格子の角度の変化を示す。図30(E)より、六角形格子の角度が変化する境界部においても、格子点が途切れることなく連続的に観察されることがわかる。  FIG. 28B shows that the sample X4 has a plurality of hexagonal lattice-shaped regions. FIG. 30A is a planar TEM image in which the region A is enlarged. FIG. 30B is a planar TEM image showing, in the region A, the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes with a white dotted line. FIG. 30C is an FFT filtered image in the region A. FIG. 30D is an FFT filtered image in which a boundary where the angle of the hexagonal lattice changes in the region A is indicated by a white dotted line. FIG. 30E is an image showing light and shade according to the angle of the hexagonal lattice in the region A. In FIG. 30E, the white dotted line indicates the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes, and the black dotted line indicates the change in the angle of the hexagonal lattice. FIG. 30 (E) shows that the lattice points are continuously observed without interruption even at the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes.

図31(A)は、領域Bを拡大した平面TEM像である。図31(B)は、領域Bにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示した平面TEM像である。図31(C)は、領域BにおけるFFTフィルタリング像である。図31(D)は、領域Bにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示したFFTフィルタリング像である。図31(E)は、領域Bにおける六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。なお、図31(E)において、白点線は六角形格子の角度が変化する境界部を示し、黒点線は六角形格子の角度の変化を示す。図31(E)より、六角形格子の角度が変化する境界部においても、格子点が途切れることなく連続的に観察されることがわかる。  FIG. 31A is a planar TEM image in which the region B is enlarged. FIG. 31B is a planar TEM image in which a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes in the region B is indicated by a white dotted line. FIG. 31C is an FFT filtered image in the region B. FIG. 31D is an FFT filtered image in which a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes in the region B is indicated by a white dotted line. FIG. 31E is an image showing light and shade according to the angle of the hexagonal lattice in the region B. In FIG. 31E, the white dotted line indicates the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes, and the black dotted line indicates the change in the angle of the hexagonal lattice. FIG. 31 (E) shows that the lattice points are continuously observed without interruption even at the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes.

図32(A)は、領域Cを拡大した平面TEM像である。図32(B)は、領域Cにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示した平面TEM像である。図32(C)は、領域CにおけるFFTフィルタリング像である。図32(D)は、領域Cにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示したFFTフィルタリング像である。図32(E)は、領域Cにおける六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。なお、図32(E)において、白点線は六角形格子の角度が変化する境界部を示す。図32(E)より、六角形格子の角度が変化する境界部においても、格子点が途切れることなく連続的に観察されることがわかる。  FIG. 32A is a planar TEM image in which the region C is enlarged. FIG. 32B is a planar TEM image in which a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes in the region C is indicated by a white dotted line. FIG. 32C is an FFT filtered image in region C. FIG. 32D is an FFT filtered image in which a boundary where the angle of the hexagonal lattice changes in the region C is indicated by a white dotted line. FIG. 32E is an image showing light and shade according to the angle of the hexagonal lattice in the region C. In FIG. 32E, a white dotted line indicates a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes. FIG. 32E shows that the lattice points are continuously observed without interruption even at the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes.

図33(A)は、領域Dを拡大した平面TEM像である。図33(B)は、領域Dにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示した平面TEM像である。図33(C)は、領域DにおけるFFTフィルタリング像である。図33(D)は、領域Dにおいて、六角形格子の角度が変化する境界部を白点線で示したFFTフィルタリング像である。図33(E)は、領域Dにおける六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。なお、図33(E)において、白点線は六角形格子の角度が変化する境界部を示す。図33(E)より、六角形格子の角度が変化する境界部においても、格子点が途切れることなく連続的に観察されることがわかる。  FIG. 33A is a planar TEM image in which the region D is enlarged. FIG. 33B is a planar TEM image in the region D where the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes is indicated by a white dotted line. FIG. 33C is an FFT filtered image in the region D. FIG. 33 (D) is an FFT filtered image in which a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes in the region D is indicated by a white dotted line. FIG. 33E is an image showing light and shade according to the angle of the hexagonal lattice in the region D. In FIG. 33E, a white dotted line indicates a boundary portion where the angle of the hexagonal lattice changes. FIG. 33 (E) shows that the lattice points are continuously observed without interruption even at the boundary where the angle of the hexagonal lattice changes.

ここで、新たに試料X5を準備する。試料X5は、厚さ25nmの熱酸化膜の形成された単結晶シリコン基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比])ターゲット(直径が101.6mmの円形)を用いたPESPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は200W(DC)、成膜圧力は0.4Pa、ターゲット−基板間距離(ターゲットから基板ホルダまでの距離)は130mm、成膜ガスはアルゴンガス20sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱なしの条件とした。また、試料X5は、In−Ga−Zn酸化物の成膜後に窒素雰囲気下で450℃1時間の加熱処理を行っている。  Here, a new sample X5 is prepared. Sample X5 is an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]) target (diameter is on a single crystal silicon substrate on which a thermal oxide film having a thickness of 25 nm is formed. A 100 nm thick In—Ga—Zn oxide formed by PESP using a 101.6 mm circle). In addition, the deposition power is 200 W (DC), the deposition pressure is 0.4 Pa, the target-substrate distance (distance from the target to the substrate holder) is 130 mm, the deposition gas is 20 sccm of argon gas and 10 sccm of oxygen gas, and the substrate is heated. None. For the sample X5, heat treatment was performed at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere after the In—Ga—Zn oxide film was formed.

図34は、試料X5の六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。図34より、試料X5は、六角形格子の角度の揃った領域を複数有することがわかる。  FIG. 34 is an image showing light and shade according to the angle of the hexagonal lattice of the sample X5. From FIG. 34, it can be seen that Sample X5 has a plurality of hexagonal lattice-shaped regions.

このように、平面TEM像を画像解析することによって、CAAC−OSの六角形格子の角度が変化する境界部を評価することが可能となる。また、図29に示した方法においては、得られる正六角形と六角形格子との平均のずれDを正六角形の中心点と各頂点との距離Rで除することで、六角形格子の変形率を導出することができる。図35に、試料X4および試料X5の、六角形格子の変形率を表す。図35(A)は、試料X4の平面TEM像の観察範囲において、六角形格子の変形率が0.15以下となる領域を薄い灰色で示した像である。図35(C)は、試料X5の平面TEM像の観察範囲において、六角形格子の変形率が0.15以下となる領域を薄い灰色で示した像である。図35(B)は、試料X4の六角形格子の変形率の分布を示す図である。図35(D)は、試料X5の六角形格子の変形率の分布を示す図である。  Thus, by analyzing the image of the planar TEM image, it is possible to evaluate the boundary portion where the angle of the hexagonal lattice of the CAAC-OS changes. In the method shown in FIG. 29, the average deviation D between the obtained regular hexagon and the hexagonal lattice is divided by the distance R between the center point of the regular hexagon and each vertex, thereby obtaining the deformation rate of the hexagonal lattice. Can be derived. FIG. 35 shows the deformation rate of the hexagonal lattice of Sample X4 and Sample X5. FIG. 35A is an image in which a region where the deformation rate of the hexagonal lattice is 0.15 or less is shown in light gray in the observation range of the planar TEM image of the sample X4. FIG. 35C is an image in which a region where the deformation rate of the hexagonal lattice is 0.15 or less is shown in light gray in the observation range of the planar TEM image of the sample X5. FIG. 35B is a diagram showing a distribution of deformation rate of the hexagonal lattice of the sample X4. FIG. 35D is a diagram showing a distribution of deformation rates of the hexagonal lattice of the sample X5.

ここで、試料X4は、変形率が0.4以下の領域の割合がおよそ99%であり、変形率が0.3以下の領域の割合がおよそ95%であり、変形率が0.2以下の領域の割合がおよそ74%であり、変形率が0.15以下の領域の割合がおよそ60%であった。また、試料X5は、変形率が0.4以下の領域の割合がおよそ99%であり、変形率が0.3以下の領域の割合がおよそ88%であり、変形率が0.2以下の領域の割合がおよそ51%であり、変形率が0.15以下の領域の割合がおよそ32%であった。このように、試料X4および試料X5は、六角形格子の変形率の小さい領域の割合が高いことがわかる。特に、試料X4は、六角形格子の変形率の小さい領域の割合が高いことがわかる。六角形格子の変形率の小さい領域の割合が高いCAAC−OSは、より単結晶酸化物半導体に近い性質を有すると考えられる。  Here, in the sample X4, the ratio of the region where the deformation rate is 0.4 or less is approximately 99%, the ratio of the region where the deformation rate is 0.3 or less is approximately 95%, and the deformation rate is 0.2 or less. The ratio of the area was about 74%, and the ratio of the area where the deformation rate was 0.15 or less was about 60%. Further, in the sample X5, the ratio of the region where the deformation rate is 0.4 or less is approximately 99%, the ratio of the region where the deformation rate is 0.3 or less is approximately 88%, and the deformation rate is 0.2 or less. The ratio of the area was approximately 51%, and the ratio of the area having a deformation rate of 0.15 or less was approximately 32%. Thus, it can be seen that Sample X4 and Sample X5 have a high ratio of the regions having a small deformation rate of the hexagonal lattice. In particular, it can be seen that Sample X4 has a high ratio of the hexagonal lattice with a low deformation rate. A CAAC-OS having a high ratio of a region having a small deformation rate of a hexagonal lattice is considered to have properties closer to a single crystal oxide semiconductor.

次に、試料X4および試料X5の格子点群からボロノイ図を作成する。ボロノイ図は、格子点群において、それぞれ格子点と最も近い領域で分割した図である。以下では、図36(A)、図36(B)、図36(C)および図36(D)に示す模式図、ならびに図36(E)に示すフローチャートを用いて、ボロノイ図の作成方法の詳細を説明する。  Next, a Voronoi diagram is created from the lattice points of sample X4 and sample X5. The Voronoi diagram is a diagram obtained by dividing a lattice point group in a region closest to the lattice point. In the following, using the schematic diagram shown in FIGS. 36A, 36B, 36C, and 36D, and the flowchart shown in FIG. Details will be described.

まず、図29に示した方法などによって格子点群を抽出する(図36(A)および図36(E)ステップS111参照。)。次に、近接する格子点間を線分で結ぶ(図36(B)および図36(E)ステップS112参照。)。次に、各線分の垂直二等分線を引く(図36(C)および図36(E)ステップS113参照。)。次に、3つの垂直二等分線が交わる点を抽出する(図36(E)ステップS114参照。)。この点はボロノイ点と呼ばれる。次に、近接するボロノイ点間を線分で結ぶ(図36(D)および図36(E)ステップS115参照。)。このとき、線分に囲まれた多角形領域をボロノイ領域と呼ぶ。以上の方法によって、ボロノイ図を作成することができる。  First, a lattice point group is extracted by the method shown in FIG. 29 or the like (see step S111 in FIGS. 36A and 36E). Next, adjacent lattice points are connected by line segments (see step S112 in FIGS. 36B and 36E). Next, a vertical bisector of each line segment is drawn (see step S113 in FIGS. 36C and 36E). Next, a point where three vertical bisectors intersect is extracted (see step S114 in FIG. 36E). This point is called the Voronoi point. Next, adjacent Voronoi points are connected with line segments (see step S115 in FIGS. 36D and 36E). At this time, the polygonal region surrounded by the line segment is called a Voronoi region. The Voronoi diagram can be created by the above method.

ここで、新たに試料X6を準備する。試料X6は、単結晶イットリア安定化ジルコニア(YSZともいう。)基板上にIn−Ga−Zn酸化物(In:Ga:Zn=1:1:1.5[原子数比])ターゲット(直径が101.6mmの円形)を用いたPESPにより成膜した厚さ100nmのIn−Ga−Zn酸化物を有する。そのほか、成膜電力は200W(DC)、成膜圧力は0.4Pa、ターゲット−基板間距離(ターゲットから基板ホルダまでの距離)は130mm、成膜ガスはアルゴンガス20sccmおよび酸素ガス10sccm、基板加熱あり(基板温度300℃)の条件とした。また、試料X6は、In−Ga−Zn酸化物の成膜後に酸素雰囲気下で1200℃1時間の加熱処理を行っている。  Here, a new sample X6 is prepared. Sample X6 has an In—Ga—Zn oxide (In: Ga: Zn = 1: 1: 1.5 [atomic ratio]) target (diameter is on a single crystal yttria stabilized zirconia (also referred to as YSZ) substrate. A 100 nm thick In—Ga—Zn oxide formed by PESP using a 101.6 mm circle). In addition, the deposition power is 200 W (DC), the deposition pressure is 0.4 Pa, the target-substrate distance (distance from the target to the substrate holder) is 130 mm, the deposition gas is 20 sccm of argon gas and 10 sccm of oxygen gas, and the substrate is heated. Yes (substrate temperature 300 ° C.). Sample X6 was subjected to heat treatment at 1200 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere after the In—Ga—Zn oxide film was formed.

図37(A)は、試料X4の格子点群から作図したボロノイ図である。図37(B)に、図37(A)においてボロノイ領域の形状が四角形乃至九角形のいずれかである割合を示す。図37(C)は、試料X5の格子点群から作図したボロノイ図である。図37(D)に、図37(C)においてボロノイ領域の形状が四角形乃至九角形のいずれかである割合を示す。図37(E)は、試料X6の格子点群から作図したボロノイ図である。図37(F)に、図37(E)においてボロノイ領域の形状が四角形乃至九角形のいずれかである割合を示す。また、試料X4、試料X5および試料X6の、ボロノイ領域の形状が四角形乃至九角形のいずれかである割合を下表に示す。  FIG. 37A is a Voronoi diagram constructed from the lattice point group of the sample X4. FIG. 37B shows a ratio in which the shape of the Voronoi region in FIG. FIG. 37C is a Voronoi diagram constructed from the lattice point group of the sample X5. FIG. 37D shows a ratio in which the shape of the Voronoi region in FIG. FIG. 37 (E) is a Voronoi diagram drawn from the lattice point group of sample X6. FIG. 37F shows the ratio of the shape of the Voronoi region in FIG. Further, the ratios of the shape of the Voronoi region of the sample X4, the sample X5, and the sample X6, which are any one of a square shape and a nine-sided shape, are shown in the following table.

Figure 2017115209
Figure 2017115209

図37および上表より、試料X6はボロノイ領域の形状が六角形である割合が極めて高く、次いで試料X4、試料X5の順でボロノイ領域の形状が六角形である割合が高いことがわかった。理想的な六方晶系単結晶構造を有する場合、ボロノイ領域の形状が六角形である割合は100%となる。したがって、試料X6、試料X4、試料X5の順で、理想的な単結晶構造に近い結晶性を有することがわかる。例えば、高い結晶性を有するCAAC−OSは、ボロノイ領域の形状が六角形である割合が50%以上100%以下、好ましくは65%以上100%以下、さらに好ましくは78%以上100%以下、より好ましくは80%以上100%以下である。  From FIG. 37 and the above table, it can be seen that the ratio of the Voronoi region in the hexagonal shape is very high in the sample X6, and then the ratio of the Voronoi region in the hexagonal shape is high in the order of the sample X4 and the sample X5. In the case of having an ideal hexagonal single crystal structure, the ratio of the shape of the Voronoi region to a hexagon is 100%. Therefore, it can be seen that Sample X6, Sample X4, and Sample X5 have crystallinity close to an ideal single crystal structure in this order. For example, in the CAAC-OS having high crystallinity, the ratio of the shape of the Voronoi region to a hexagon is 50% to 100%, preferably 65% to 100%, more preferably 78% to 100%, and more Preferably they are 80% or more and 100% or less.

試料X6は、単結晶YSZ基板を用い、かつ成膜後に1200℃の加熱処理を行っているため、他の条件と比べて生産性は低い可能性がある。一方、試料X5は、成膜後の加熱処理が450℃と比較的低温であるため、試料X6と比べて生産性が高い。また、試料X4は、成膜後の加熱処理を行っていないため、試料X5と比べてもさらに生産性が高い。即ち、生産性の点を考慮すると、試料X4および試料X5、特に試料X4が好ましい条件であることがわかる。  Since the sample X6 uses a single crystal YSZ substrate and is subjected to heat treatment at 1200 ° C. after film formation, the productivity may be lower than other conditions. On the other hand, since the heat treatment after film formation is relatively low at 450 ° C., the sample X5 has higher productivity than the sample X6. In addition, since the sample X4 is not subjected to heat treatment after film formation, the productivity is higher than that of the sample X5. That is, in view of productivity, it can be seen that Sample X4 and Sample X5, particularly Sample X4 are preferable conditions.

なお、各試料において、ボロノイ領域の形状が五角形および七角形である領域は、ナノクラスターの横成長領域において六角形が変形することで連結部を形成しているためと考えられる。  In each sample, the regions where the Voronoi regions are pentagonal and heptagonal are considered to be because the hexagonal shape is deformed in the lateral growth region of the nanoclusters to form a connecting portion.

また、連結部近傍において、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることが推測される。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。  Further, it is presumed that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement in the vicinity of the connecting portion. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Conceivable.

<電子回折>
さらに、試料X4にプローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで、電子回折パターンを取得する。
<Electron diffraction>
Furthermore, an electron diffraction pattern is acquired by irradiating the sample X4 with an electron beam having a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam).

図38に、試料X4の平面TEM像を示す。図38において、点線および破線で示す範囲の電子回折パターンを連続的に観察した。なお、電子回折パターンの観察は、電子線を照射しながら0秒の位置から35秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。点線の範囲の結果を図39に、破線の範囲の結果を図40に、それぞれ示す。図39および図40では、電子回折パターンに現れる結晶軸の一つを一点鎖線で示している。図39および図40より、試料X4は、図38に示す範囲において、結晶軸の角度がなだらかに変化していることがわかった、また、明確な結晶粒界が確認されなかった。  FIG. 38 shows a planar TEM image of sample X4. In FIG. 38, electron diffraction patterns in a range indicated by dotted lines and broken lines were continuously observed. The electron diffraction pattern is observed while moving at a constant speed from the 0 second position to the 35 second position while irradiating the electron beam. The result of the dotted line range is shown in FIG. 39, and the result of the broken line range is shown in FIG. 39 and 40, one of the crystal axes appearing in the electron diffraction pattern is indicated by a one-dot chain line. From FIG. 39 and FIG. 40, it was found that the angle of the crystal axis of Sample X4 changed gently in the range shown in FIG. 38, and a clear crystal grain boundary was not confirmed.

図41に、試料X4の断面TEM像を示す。図41において、点線および破線で示す範囲の電子回折パターンを連続的に観察した。なお、電子回折パターンの観察は、電子線を照射しながら0秒の位置から28秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。点線の範囲の結果を図42に、破線の範囲の結果を図43に、それぞれ示す。図42および図43では、電子回折パターンに現れる結晶軸の一つを一点鎖線で示している。図42および図43より、試料X4は、図41に示す範囲において、結晶軸の角度がなだらかに変化していることがわかった、また、明確な結晶粒界が確認されなかった。  FIG. 41 shows a cross-sectional TEM image of sample X4. In FIG. 41, electron diffraction patterns in a range indicated by a dotted line and a broken line were continuously observed. The electron diffraction pattern is observed while moving at a constant speed from the 0 second position to the 28 second position while irradiating the electron beam. The result of the dotted line range is shown in FIG. 42, and the result of the broken line range is shown in FIG. 42 and 43, one of the crystal axes appearing in the electron diffraction pattern is indicated by a one-dot chain line. 42 and 43, it was found that the angle of the crystal axis of Sample X4 changed gently in the range shown in FIG. 41, and no clear crystal grain boundary was confirmed.

よって、CAAC−OSは、多結晶酸化物半導体とは異なり、周期構造を有しつつも、原子配列に揺らぎを有する構造であることがわかる。表現を変えると、CAAC−OSは、周期構造に変位分布を持つ構造ということもできる。このような特徴を有することから、CAAC−OSは、非晶質酸化物半導体とも多結晶酸化物半導体とも単結晶酸化物半導体とも異なる構造であるといえる。  Thus, it is found that the CAAC-OS has a periodic structure and a fluctuation in atomic arrangement, unlike a polycrystalline oxide semiconductor. In other words, the CAAC-OS can be said to have a displacement distribution in the periodic structure. Since it has such characteristics, it can be said that the CAAC-OS has a structure different from that of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, or a single crystal oxide semiconductor.

CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面において複数のナノクラスター(ナノ結晶)が横成長をすることで成長点同士がぶつかりあって連結し、歪みを有した結晶構造となっている様子が観察されることから、より厳密にCAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することも可能である。  The CAAC-OS has a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanoclusters (nanocrystals) are laterally grown on the ab plane so that the growth points collide with each other and are connected to each other. Therefore, it can be more precisely called an oxide semiconductor having CAA crystal (c-axis-aligned a-b-plane-anchored crystal).

このように、歪みを有しつつ、理想的な原子配列の名残をとどめている結晶構造としては、パラクリスタル(paracrystal)が知られている。パラクリスタルは、有機繊維などで報告されているが、無機材料での報告はほとんどない。ただし、パラクリスタルとCAAC−OSとでは、以下の点が異なる。例えば、パラクリスタルは平面状の構造(布のようなイメージ)を有するが、CAAC−OSは被形成面に沿った形状を有し、積層体で薄膜構造を有する点が異なる。また、CAAC−OSは、成膜温度以上で行う加熱処理(例えば、300℃を超えて1500℃未満、好ましくは350℃を超えて800℃未満)でより緻密な構造が形成される点が異なる。また、結晶構造を変形させる温度以上(例えば、1000℃以上1500℃以下)の加熱処理によって単結晶構造に構造を変形させる点が異なる。そのため、CAAC−OSはパラクリスタルとは異なる新規な結晶構造を有することがわかる。  As described above, a paracrystal is known as a crystal structure that retains the remnant of an ideal atomic arrangement while having distortion. Paracrystals have been reported for organic fibers, but there are few reports on inorganic materials. However, the following points are different between Paracrystal and CAAC-OS. For example, a paracrystal has a planar structure (an image like a cloth), but a CAAC-OS has a shape along a formation surface, and is different in that it has a thin film structure in a stacked body. The CAAC-OS is different in that a denser structure is formed by heat treatment performed at a temperature higher than or equal to a film formation temperature (for example, higher than 300 ° C. and lower than 1500 ° C., preferably higher than 350 ° C. and lower than 800 ° C.). . Another difference is that the structure is deformed into a single crystal structure by heat treatment at a temperature higher than the temperature at which the crystal structure is deformed (for example, 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower). Therefore, it can be seen that the CAAC-OS has a novel crystal structure different from that of paracrystal.

上述したような断面TEM像および平面TEM像において観察される特徴は、酸化物半導体の構造を一面的に捉えたものである。例えば、CAAC−OS上に導電体が形成されることによって、物理的ダメージまたは化学的ダメージが入り、欠陥が形成される場合もある。  The characteristics observed in the cross-sectional TEM image and the planar TEM image as described above are obtained by capturing the structure of the oxide semiconductor. For example, when a conductor is formed over the CAAC-OS, physical damage or chemical damage may occur and defects may be formed.

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

(実施の形態2)
本実施の形態では、先の実施の形態に示す酸化物を半導体層として用いた半導体装置の一形態について図44乃至図65を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device using the oxide described in any of the above embodiments as a semiconductor layer will be described with reference to FIGS.

<トランジスタ構造1>
以下では、先の実施の形態に示す酸化物を用いた本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。図44(A)、図44(B)、および図44(C)は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図および断面図である。図44(A)は上面図であり、図44(B)は、図44(A)に示す一点鎖線X1−X2、図44(C)は、一点鎖線Y1−Y2に対応する断面図である。なお、図44(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 1>
An example of a transistor according to one embodiment of the present invention using the oxide described in the above embodiment will be described below. 44A, 44B, and 44C are a top view and a cross-sectional view of a transistor according to one embodiment of the present invention. 44A is a top view, FIG. 44B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 shown in FIG. 44A, and FIG. 44C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line Y1-Y2. . Note that for simplification of the drawing, some components are not illustrated in the top view in FIG.

トランジスタ200は、ゲート電極として機能する導電体205(導電体205a、および導電体205b)、および導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および絶縁体250と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体240aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体240bと、過剰酸素を有する絶縁体280と、バリア性を有する絶縁体282と、を有する。また、導電体205は、絶縁体216に形成された開口に埋め込まれるように設けることが好ましい。また、導電体205及び絶縁体216は絶縁体214上に設けることが好ましい。  The transistor 200 includes a conductor 205 (a conductor 205a and a conductor 205b) that functions as a gate electrode, and a conductor 260 (a conductor 260a and a conductor 260b), an insulator 220 that functions as a gate insulating layer, and an insulator. The body 222, the insulator 224, and the insulator 250, the oxide 230 having a region where a channel is formed (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c), and the conductor functioning as one of a source and a drain 240a, a conductor 240b functioning as the other of the source and the drain, an insulator 280 having excess oxygen, and an insulator 282 having a barrier property. The conductor 205 is preferably provided so as to be embedded in an opening formed in the insulator 216. The conductor 205 and the insulator 216 are preferably provided over the insulator 214.

酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。なお、トランジスタ200をオンさせると、主として酸化物230bに電流が流れる(チャネルが形成される)。一方、酸化物230aおよび酸化物230cは、酸化物230bとの界面近傍(混合領域となっている場合もある)は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。  The oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c over the oxide 230b. Note that when the transistor 200 is turned on, a current flows mainly in the oxide 230b (a channel is formed). On the other hand, in the oxide 230a and the oxide 230c, a current may flow in the vicinity of the interface with the oxide 230b (which may be a mixed region), but the other region may function as an insulator. .

また、図44に示すように、酸化物230cは、酸化物230a、および酸化物230bの側面を覆うように設けることが好ましい。絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230cが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。  As shown in FIG. 44, the oxide 230c is preferably provided so as to cover the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b. When the oxide 230c is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, impurities such as hydrogen, water, and halogen are transferred from the insulator 280 to the oxide 230b. Diffusion can be suppressed.

導電体205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、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等である。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、酸化しにくい(耐酸化性が高い)ため、好ましい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。  The conductor 205 includes a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing any of the above elements as a component (tantalum nitride, nitride). Titanium film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film). In particular, a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and is difficult to oxidize (high oxidation resistance). Or 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, silicon oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.

例えば、導電体205aとして、水素に対するバリア性を有する導電体として、窒化タンタル等を用い、導電体205bとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物230への水素の拡散を抑制することができる。なお、図44では、導電体205a、および導電体205bの2層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも3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。  For example, tantalum nitride or the like may be used as the conductor 205a as a conductor having a barrier property against hydrogen, and tungsten having high conductivity may be stacked as the conductor 205b. By using the combination, diffusion of hydrogen into the oxide 230 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. Note that FIG. 44 illustrates a two-layer structure of the conductor 205a and the conductor 205b; however, the structure is not limited thereto, and may be a single layer or a stacked structure including three or more layers. For example, a conductor having a high barrier property and a conductor having a high barrier property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.

絶縁体220、および絶縁体224は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体224として過剰酸素を含む(化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む)絶縁体を用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、トランジスタ200を構成する酸化物に接して設けることにより、酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体222と絶縁体224とは、必ずしも同じ材料を用いなくともよい。また、絶縁体216も絶縁体220、および絶縁体224と同様の材料を用いて形成することができる。  The insulator 220 and the insulator 224 are preferably insulators containing oxygen such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. In particular, as the insulator 224, an insulator containing excess oxygen (containing oxygen in excess of the stoichiometric composition) is preferably used. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide included in the transistor 200, oxygen vacancies in the oxide can be compensated. Note that the insulator 222 and the insulator 224 are not necessarily made of the same material. The insulator 216 can also be formed using a material similar to that of the insulator 220 and the insulator 224.

絶縁体222は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、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。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、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。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。The insulator 222 is formed of, for example, 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, An insulator containing a so-called high-k material such as Sr) TiO 3 (BST) is preferably used in a single layer or a stacked layer. In particular, an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide, is preferably used. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.

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良い。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, for example, 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 insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224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 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is not limited to the laminated structure which consists of the same material, The laminated structure which consists of a different material may be sufficient.

絶縁体220及び絶縁体224の間に、high−k材料を含む絶縁体222を有することで、特定の条件で絶縁体222が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体222が負に帯電する場合がある。  By including the insulator 222 including a high-k material between the insulator 220 and the insulator 224, the insulator 222 can capture electrons under a specific condition and increase the threshold voltage. That is, the insulator 222 may be negatively charged.

例えば、絶縁体220、および絶縁体224に、酸化シリコンを用い、絶縁体222に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度(例えば、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、導電体205の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、10ミリ秒以上、代表的には1分以上維持することで、トランジスタ200を構成する酸化物から導電体205に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体222の電子捕獲準位に捕獲される。  For example, in the case where silicon oxide is used for the insulator 220 and the insulator 224 and a material with many electron capture levels such as hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide is used for the insulator 222, the operating temperature of the semiconductor device Or under a temperature higher than the storage temperature (eg, 125 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, typically 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower), the potential of the conductor 205 is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode. By maintaining for 10 milliseconds or longer, typically 1 minute or longer, electrons move from the oxide included in the transistor 200 toward the conductor 205. At this time, some of the moving electrons are captured by the electron capture level of the insulator 222.

絶縁体222の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体205の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。  The threshold voltage of the transistor that captures an amount of electrons necessary for the electron trap level of the insulator 222 is shifted to the positive side. Note that the amount of electrons captured can be controlled by controlling the voltage of the conductor 205, and the threshold voltage can be controlled accordingly. With this structure, the transistor 200 is a normally-off transistor that is non-conductive (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0 V.

また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。  Further, the process for capturing electrons may be performed in the manufacturing process of the transistor. For example, either after the formation of the conductor connected to the source conductor or drain conductor of the transistor, after the completion of the previous process (wafer processing), after the wafer dicing process, after packaging, etc. This should be done in stages.

また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体220の合計膜厚が薄くすることで導電体205からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224の合計膜厚は、65nm以下、好ましくは20nm以下であることが好ましい。  In addition, the threshold voltage can be controlled by appropriately adjusting the film thicknesses of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224. For example, when the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 220 is reduced, a voltage from the conductor 205 is efficiently applied, so that a transistor with low power consumption can be provided. The total film thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 is 65 nm or less, preferably 20 nm or less.

従って、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。  Accordingly, it is possible to provide a transistor with small leakage current when non-conducting. In addition, a transistor having stable electrical characteristics can be provided. Alternatively, a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a transistor with a small subthreshold swing value can be provided. Alternatively, a highly reliable transistor can be provided.

酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cは、In−M−Zn酸化物(MはAl、Ga、Y、またはSn)等の金属酸化物で形成される。ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cは、上記の成膜メカニズムで成膜された酸化物を用いることができる。例えば、酸化物230aとして上記酸化物S1を、酸化物230bとして上記酸化物S2を、酸化物230cとして上記酸化物S3を用いることができる。また、酸化物230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。  The oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are formed using a metal oxide such as an In-M-Zn oxide (M is Al, Ga, Y, or Sn). Here, as the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c, an oxide formed by the above film formation mechanism can be used. For example, the oxide S1 can be used as the oxide 230a, the oxide S2 can be used as the oxide 230b, and the oxide S3 can be used as the oxide 230c. Further, as the oxide 230, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.

絶縁体250は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、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良い。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 insulator 250 is formed of, for example, 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, An insulator containing a so-called high-k material such as Sr) TiO 3 (BST) can be used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.

また、絶縁体250は、絶縁体224と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用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230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減することができる。  The insulator 250 is preferably formed using an oxide insulator containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, like the insulator 224. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced.

また、絶縁体250は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、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できる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。  The insulator 250 has a barrier property against oxygen and hydrogen such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, and silicon nitride. An insulating film can be used. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.

なお、絶縁体250は、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体250が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ200は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ200は、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。  Note that the insulator 250 may have a stacked structure similar to that of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224. When the insulator 250 includes an insulator that captures an amount of electrons necessary for the electron capture level, the transistor 200 can shift the threshold voltage to the positive side. With this structure, the transistor 200 is a normally-off transistor that is non-conductive (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0 V.

また、図44に示す半導体装置において、酸化物230と導電体260の間に、絶縁体250の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物230cにバリア性があるものを用いてもよい。  In the semiconductor device illustrated in FIG. 44, a barrier film may be provided between the oxide 230 and the conductor 260 in addition to the insulator 250. Alternatively, the oxide 230c having a barrier property may be used.

例えば、過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物230に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物230への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。  For example, by providing an insulating film containing excess oxygen in contact with the oxide 230 and encapsulating the oxide film with a barrier film, oxygen may be in a state in which the oxide substantially matches the stoichiometric composition or in a stoichiometric composition. Many supersaturated states can be obtained. In addition, entry of impurities such as hydrogen into the oxide 230 can be prevented.

導電体240aと、および導電体240b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 conductor 240a and the conductor 240b functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.

導電体240aと、導電体240b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。  For the conductor 240a and the conductor 240b, a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component can be used. . 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するとよい。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。  Further, although a single layer structure is shown in the figure, a stacked structure of two or more layers may be used. For example, a tantalum nitride and tungsten film may be stacked. In addition, a titanium film and an aluminum film are preferably stacked. Also, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and a tungsten 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 titanium film or a titanium nitride film and a three-layer structure in which 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 further formed thereon, a molybdenum film or There is a three-layer structure in which a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are stacked over the molybdenum film or the molybdenum nitride film and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

また、ゲート電極として機能を有する導電体260は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。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。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、図では2層構造を示したが、単層、または3層以上の積層構造としてもよい。  The conductor 260 having a function as a gate electrode is, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, an alloy containing the above-described metal as a component, or a combination of the above-described metals. It can be formed using an alloy or the like. 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. Further, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used. Further, although a two-layer structure is shown in the figure, a single layer or a stacked structure of three or more layers may be used.

なお、2層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。例えば、導電体260aは、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。  Note that the two-layer structure may be formed by stacking the same materials. For example, the conductor 260a is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method. In particular, it is preferably formed by using an atomic layer deposition (ALD) method. By forming by the ALD method or the like, damage during film formation on the insulator 250 can be reduced. Moreover, it is preferable because the coverage can be improved. Therefore, the transistor 200 with high reliability can be provided.

続いて、導電体260bはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体250上に、導電体260aを有することで、導電体260aの成膜時のダメージが、絶縁体250に影響することを抑制することができる。また、ALD法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。  Subsequently, the conductor 260b is formed by a sputtering method. At this time, by including the conductor 260 a over the insulator 250, it is possible to suppress the damage during the deposition of the conductor 260 a from affecting the insulator 250. Further, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the yield is high and the productivity can be improved.

また、例えば、アルミニウム上にチタン膜を積層する二層構造とするとよい。また、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造としてもよい。  For example, a two-layer structure in which a titanium film is stacked over aluminum is preferable. Alternatively, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film, or a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or a tungsten nitride film may be employed. .

また、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。  Further, there are a titanium film and a three-layer structure in which an aluminum film is stacked on the titanium film and a titanium film is further formed thereon. Alternatively, an alloy film or a nitride film in which one or more metals selected from aluminum, titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined may be used.

また、導電体260は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。  The conductor 260 includes indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, and indium zinc oxide. Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal can be used.

続いて、トランジスタ200の上方には、絶縁体280、および絶縁体282を設ける。  Subsequently, an insulator 280 and an insulator 282 are provided above the transistor 200.

絶縁体280には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体280には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。  For the insulator 280, an oxide containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is preferably used. That is, the insulator 280 is preferably formed with a region where oxygen is present in excess of the stoichiometric composition (hereinafter also referred to as an excess oxygen region). In particular, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 200, reliability is improved by providing an insulator having an excess oxygen region in an interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200 to reduce oxygen vacancies in the transistor 200. Can do.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは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500℃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 an excess oxygen region. The oxide which desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 in TDS analysis. An oxide film having atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。  For example, as such a material, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used. Alternatively, a metal oxide can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

また、トランジスタ200を覆う絶縁体280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。  Further, the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 200.

絶縁体282は、例えば、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、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。このような材料を用いて形成した場合、酸化物230からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。また、絶縁体214も絶縁体282と同様の材料を用いて形成することができる。  The insulator 282 is preferably formed using an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide. In the case of using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside. The insulator 214 can also be formed using a material similar to that of the insulator 282.

上記構成を有することで、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、上記構成を有するトランジスタを半導体装置に用いることで、半導体装置の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。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。  With the above structure, 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, by using the transistor having the above structure in a semiconductor device, variation in electrical characteristics of the semiconductor device can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.

<トランジスタ構造2>
図45には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図45(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図45(A)において一部の膜は省略されている。また、図45(B)は、図45(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図45(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 2>
FIG. 45 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 45A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 45A for clarity. FIG. 45B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 illustrated in FIG. 45A, and FIG. 45C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図45に示すトランジスタ200において、図44に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  Note that in the transistor 200 illustrated in FIG. 45, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG.

図45に示す構造は、導電体260を覆うように、絶縁体270を設ける。絶縁体280に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体260が、脱離した酸素により酸化することを防止するため、絶縁体270は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。  In the structure illustrated in FIG. 45, an insulator 270 is provided so as to cover the conductor 260. In the case where an oxide material from which oxygen is released is used for the insulator 280, the insulator 270 is formed using a substance having a barrier property against oxygen in order to prevent the conductor 260 from being oxidized by the released oxygen. .

例えば、絶縁体270には、酸化アルミニウムなどの金属酸化物を用いることができる。また絶縁体270は、導電体260の酸化を防止する程度に設けられていればよい。例えば、絶縁体270の膜厚は、1nm以上10nm以下、好ましくは3nm以上7nm以下として設ける。  For example, the insulator 270 can be formed using a metal oxide such as aluminum oxide. The insulator 270 may be provided to such an extent that the conductor 260 is prevented from being oxidized. For example, the thickness of the insulator 270 is 1 nm to 10 nm, preferably 3 nm to 7 nm.

当該構成とすることで、導電体260の材料選択の幅を広げることができる。例えば、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。  With this configuration, the range of material selection for the conductor 260 can be increased. For example, a material having low conductivity while having low oxidation resistance such as aluminum can be used. For example, a conductor that can be easily formed or processed can be used.

従って、導電体260の酸化を抑制し、絶縁体280から、脱離した酸素を効率的に酸化物230へと供給することができる。また、導電体260に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。  Accordingly, oxidation of the conductor 260 can be suppressed, and oxygen released from the insulator 280 can be efficiently supplied to the oxide 230. In addition, by using a highly conductive conductor for the conductor 260, the transistor 200 with low power consumption can be provided.

<トランジスタ構造3>
図46には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図46(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図46(A)において一部の膜は省略されている。また、図46(B)は、図46(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図46(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 3>
FIG. 46 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 46A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 46A for clarity. 46B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 illustrated in FIG. 46A, and FIG. 46C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図46に示すトランジスタ200において、図44に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  46, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG. 44 is denoted by the same reference numeral.

図46に示す構造は、ゲート電極と機能する導電体260が、導電体260a、導電体260b、導電体260cを有する。また、酸化物230cは、酸化物230bの側面を覆っていればよく、絶縁体224上で切断されていてもよい。  In the structure illustrated in FIG. 46, the conductor 260 functioning as a gate electrode includes a conductor 260a, a conductor 260b, and a conductor 260c. The oxide 230c only needs to cover the side surface of the oxide 230b, and may be cut on the insulator 224.

導電体260aは、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対するプラズマによるダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。  The conductor 260a is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method. In particular, it is preferably formed by using an atomic layer deposition (ALD) method. By forming by the ALD method or the like, damage to the insulator 250 due to plasma can be reduced. Moreover, it is preferable because the coverage can be improved. Therefore, the transistor 200 with high reliability can be provided.

また、導電体260bは、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いて形成する。さらに、導電体260b上に形成する導電体260cは、窒化タングステンなどの耐酸化性が高い導電体を用いて形成することが好ましい。  The conductor 260b is formed using a highly conductive material such as tantalum, tungsten, copper, or aluminum. Further, the conductor 260c formed over the conductor 260b is preferably formed using a conductor having high oxidation resistance such as tungsten nitride.

例えば、絶縁体280に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する面積が大きい導電体260cに耐酸化性が高い導電体を用いることで、過剰酸素から脱離される酸素が導電体260に吸収されることを抑制することができる。また、導電体260の酸化を抑制し、絶縁体280から、脱離した酸素を効率的に酸化物230へと供給することができる。また、導電体260bに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。  For example, in the case where an oxide material from which oxygen is released is used for the insulator 280, a conductor having high oxidation resistance is used for the conductor 260c having a large area in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region, thereby preventing excess oxygen from It is possible to suppress the desorbed oxygen from being absorbed by the conductor 260. Further, oxidation of the conductor 260 can be suppressed, and oxygen released from the insulator 280 can be efficiently supplied to the oxide 230. In addition, by using a highly conductive conductor for the conductor 260b, the transistor 200 with low power consumption can be provided.

また、図46(C)に示すように、トランジスタ200、チャネル幅方向において、酸化物230bが導電体205、および導電体260に覆われている。また、絶縁体224が凸部を有することによって、酸化物230bの側面も導電体260で覆うことができる。例えば、絶縁体224の凸部の形状を調整することで、酸化物230bの側面において、導電体260の底面が、酸化物230bの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ200は、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物230b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。s−channel構造のトランジスタ200は、酸化物230b全体(バルク)にチャネルを形成することもできる。s−channel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流(トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流)を得ることができる。また、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−channel構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、s−channel構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。  As shown in FIG. 46C, the transistor 230 and the oxide 230b are covered with the conductor 205 and the conductor 260 in the channel width direction. In addition, since the insulator 224 has a protrusion, the side surface of the oxide 230 b can be covered with the conductor 260. For example, it is preferable that the shape of the protrusion of the insulator 224 be adjusted so that the bottom surface of the conductor 260 is closer to the substrate side than the bottom surface of the oxide 230b on the side surface of the oxide 230b. In other words, the transistor 200 has a structure in which the oxide 230 b can be electrically surrounded by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. In this manner, the structure of the transistor that electrically surrounds the oxide 230b by the electric field of the conductor is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure. In the transistor 200 having an s-channel structure, a channel can be formed in the entire oxide 230b (bulk). In the s-channel structure, the drain current of the transistor can be increased, and a larger on-current (current flowing between the source and the drain when the transistor is on) can be obtained. Further, the entire region of the channel formation region formed in the oxide 230b can be depleted by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. Therefore, in the s-channel structure, the off-state current of the transistor can be further reduced. Note that by reducing the channel width, the effect of increasing the on-current, the effect of reducing the off-current, and the like by the s-channel structure can be enhanced.

図46に示す構造は、ソースまたはドレインとして機能する導電体が積層構造を有する。導電体240a、および導電体240bは、酸化物230bと密着性が高い導電体を用い、導電体241a、導電体241bは、導電性が高い材料を用いることが好ましい。また、導電体240a、および導電体240bは、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、被覆性を向上させることができる。  In the structure illustrated in FIG. 46, a conductor functioning as a source or a drain has a stacked structure. The conductor 240a and the conductor 240b are preferably formed using a conductor that has high adhesion to the oxide 230b, and the conductor 241a and the conductor 241b are preferably formed using a material having high conductivity. In addition, the conductor 240a and the conductor 240b are preferably formed by using an atomic layer deposition (ALD) method. By forming by ALD method or the like, the coverage can be improved.

例えば、酸化物230bに、インジウムを有する金属酸化物を用いる場合、導電体240a、および導電体240bには、窒化チタンなどを用いればよい。また、導電体241a、および導電体241bに、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いることで、信頼性が高く、消費電力が小さいトランジスタ200を提供することができる。  For example, in the case where a metal oxide containing indium is used for the oxide 230b, titanium nitride or the like may be used for the conductor 240a and the conductor 240b. Further, by using a highly conductive material such as tantalum, tungsten, copper, or aluminum for the conductor 241a and the conductor 241b, the transistor 200 with high reliability and low power consumption can be provided.

<トランジスタ構造4>
図47には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図47(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図47(A)において一部の膜は省略されている。また、図47(B)は、図47(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図47(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 4>
FIG. 47 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 47A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 47A for clarity. 47B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 illustrated in FIG. 47A, and FIG. 47C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図47に示すトランジスタ200において、図44に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  47, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG. 44 is denoted by the same reference numeral.

図47(C)に示すように、トランジスタ200、チャネル幅方向において、酸化物230bが導電体205、および導電体260に覆われている。また、絶縁体222が凸部を有することによって、酸化物230bの側面も導電体260で覆うことができる。  As illustrated in FIG. 47C, the transistor 230 and the oxide 230b are covered with the conductor 205 and the conductor 260 in the channel width direction. In addition, since the insulator 222 has a convex portion, the side surface of the oxide 230 b can be covered with the conductor 260.

ここで、絶縁体222に、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いる場合、絶縁体222の比誘電率が大きいため、SiO膜換算膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)を小さくすることができる。従って、酸化物230にかかる導電体205からの電界の影響を弱めることなく、絶縁体222の物理的な厚みにより、導電体205と、酸化物230との間の距離を広げることができる。従って、絶縁体222の膜厚により、導電体205と、酸化物230との間の距離を調整することができる。Here, in the case where a high-k material such as hafnium oxide is used for the insulator 222, the dielectric constant of the insulator 222 is large, so that the equivalent SiO 2 film thickness (EOT: Equivalent Oxide Thickness) can be reduced. . Therefore, the distance between the conductor 205 and the oxide 230 can be increased by the physical thickness of the insulator 222 without weakening the influence of the electric field from the conductor 205 on the oxide 230. Therefore, the distance between the conductor 205 and the oxide 230 can be adjusted by the thickness of the insulator 222.

例えば、絶縁体224の凸部の形状を調整することで、酸化物230bの側面において、導電体260の底面が、酸化物230bの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ200は、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物230b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。s−channel構造のトランジスタ200は、酸化物230b全体(バルク)にチャネルを形成することもできる。s−channel構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流(トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流)を得ることができる。また、導電体205および導電体260の電界によって、酸化物230bに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、s−channel構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、s−channel構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。  For example, it is preferable that the shape of the protrusion of the insulator 224 be adjusted so that the bottom surface of the conductor 260 is closer to the substrate side than the bottom surface of the oxide 230b on the side surface of the oxide 230b. In other words, the transistor 200 has a structure in which the oxide 230 b can be electrically surrounded by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. In this manner, the structure of the transistor that electrically surrounds the oxide 230b by the electric field of the conductor is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure. In the transistor 200 having an s-channel structure, a channel can be formed in the entire oxide 230b (bulk). In the s-channel structure, the drain current of the transistor can be increased, and a larger on-current (current flowing between the source and the drain when the transistor is on) can be obtained. Further, the entire region of the channel formation region formed in the oxide 230b can be depleted by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. Therefore, in the s-channel structure, the off-state current of the transistor can be further reduced. Note that by reducing the channel width, the effect of increasing the on-current, the effect of reducing the off-current, and the like by the s-channel structure can be enhanced.

また、図47(B)及び図47(C)に示すように、酸化物230cの側面が絶縁体250及び導電体260の側面と略一致するように酸化物230cを形成してもよい。これにより、酸化物230c、絶縁体250及び導電体260のパターン形成を一括で行うことができるので、工程の簡略化を図ることができる。ここで、導電体240a及び導電体240bとして、水素または酸素に対するバリア性があり、酸化しにくい(耐酸化性が高い)、窒化タンタルなどの金属窒化物を用いることにより、導電体240a及び導電体240bが酸化されることを防ぐことができる。また、絶縁体280から酸化物230bに過剰酸素を容易に供給することができる。  In addition, as illustrated in FIGS. 47B and 47C, the oxide 230c may be formed so that the side surfaces of the oxide 230c substantially coincide with the side surfaces of the insulator 250 and the conductor 260. Accordingly, pattern formation of the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 can be performed at a time, so that the process can be simplified. Here, as the conductor 240a and the conductor 240b, a metal nitride such as tantalum nitride which has a barrier property against hydrogen or oxygen and is difficult to be oxidized (high oxidation resistance) can be used. 240b can be prevented from being oxidized. In addition, excess oxygen can be easily supplied from the insulator 280 to the oxide 230b.

<トランジスタ構造5>
図48には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図48(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図48(A)において一部の膜は省略されている。また、図48(B)は、図48(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図48(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 5>
FIG. 48 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 48A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 48A for clarity. FIG. 48B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 illustrated in FIG. 48A, and FIG. 48C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図48に示すトランジスタ200において、図44に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  Note that in the transistor 200 illustrated in FIG. 48, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG.

図48に示すトランジスタ200は、絶縁体280に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bの三方の端部が、酸化物230の端部の一部と一致している。従って、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bは、酸化物230または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。  In the transistor 200 illustrated in FIG. 48, the oxide 230 c, the insulator 250, and the conductor 260 are formed in the opening formed in the insulator 280. In addition, one end portion of the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b is aligned with the end portion of the opening formed in the insulator 280. Further, three end portions of the conductor 240 a, the conductor 240 b, the conductor 241 a, and the conductor 241 b coincide with part of the end portion of the oxide 230. Therefore, the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b can be simultaneously shaped with the opening of the oxide 230 or the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.

また、導電体240a、導電体240b、酸化物230c、および酸化物230bは、過剰酸素領域を有する絶縁体280と、酸化物230dを介して接する。そのため、絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230dが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。  The conductor 240a, the conductor 240b, the oxide 230c, and the oxide 230b are in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region through the oxide 230d. Therefore, the oxide 230d is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, so that impurities such as hydrogen, water, and halogen can be extracted from the insulator 280. It is possible to suppress diffusion to 230b.

さらに、図48に示すトランジスタ200は、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bと、導電体260と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体260にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ200を提供することができる。  Further, the transistor 200 illustrated in FIG. 48 has a structure in which the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, the conductor 241b, and the conductor 260 hardly overlap with each other, so that the parasitic capacitance applied to the conductor 260 is reduced. Can be small. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.

<トランジスタ構造6>
図49には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図49(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図49(A)において一部の膜は省略されている。また、図49(B)は、図49(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図49(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 6>
FIG. 49 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 49A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 49A for clarity. FIG. 49B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 shown in FIG. 49A, and FIG. 49C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図49に示すトランジスタ200において、図44に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  49, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG. 44 is denoted by the same reference numeral.

図49に示すトランジスタ200は、酸化物230dを有さない構造である。例えば、導電体240a、および導電体240bに耐酸化性が高い導電体を用いる場合、酸化物230dは、必ずしも設けなくてもよい。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。  A transistor 200 illustrated in FIG. 49 has a structure without the oxide 230d. For example, when a conductor having high oxidation resistance is used for the conductor 240a and the conductor 240b, the oxide 230d is not necessarily provided. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.

また、絶縁体224は、酸化物230a、および酸化物230bと重畳する領域にのみ設けてもよい。この場合、絶縁体222をエッチングストッパーとして、酸化物230a、酸化物230b、および絶縁体224を加工することができる。従って、歩留まりや生産性を高めることができる。  The insulator 224 may be provided only in a region overlapping with the oxide 230a and the oxide 230b. In this case, the oxide 230a, the oxide 230b, and the insulator 224 can be processed using the insulator 222 as an etching stopper. Therefore, yield and productivity can be increased.

さらに、図49に示すトランジスタ200は、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bと、導電体260と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体260にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ200を提供することができる。  Further, the transistor 200 illustrated in FIG. 49 has a structure in which the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b and the conductor 260 hardly overlap with each other, so that the parasitic capacitance applied to the conductor 260 is reduced. Can be small. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.

<トランジスタ構造7>
図50には、トランジスタ200に適応できる構造の一例を示す。図50(A)はトランジスタ200の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図50(A)において一部の膜は省略されている。また、図50(B)は、図50(A)に示す一点鎖線X1−X2に対応する断面図であり、図50(C)はY1−Y2に対応する断面図である。
<Transistor structure 7>
FIG. 50 illustrates an example of a structure that can be applied to the transistor 200. FIG. 50A illustrates the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 50A for clarity. 50B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line X1-X2 illustrated in FIG. 50A, and FIG. 50C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.

なお、図50に示すトランジスタ200において、図48に示したトランジスタ200を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。  50, the structure having the same function as the structure of the transistor 200 illustrated in FIG. 48 is denoted by the same reference numeral.

絶縁体282上に、絶縁体285、および絶縁体286が形成される。  An insulator 285 and an insulator 286 are formed over the insulator 282.

絶縁体280、絶縁体282、および絶縁体285に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bの三方の端部が、酸化物230a、および酸化物230bの端部の一部と一致している。従って、導電体240a、導電体240b、導電体241a、および導電体241bは、酸化物230a、および酸化物230b、または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。  An oxide 230c, an insulator 250, and a conductor 260 are formed in openings formed in the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 285. In addition, one end portion of the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b is aligned with the end portion of the opening formed in the insulator 280. Further, three end portions of the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b coincide with part of the end portions of the oxide 230a and the oxide 230b. Therefore, the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 241a, and the conductor 241b can be simultaneously shaped with the opening portion of the oxide 230a and the oxide 230b or the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.

また、導電体240a、導電体240b、酸化物230c、および酸化物230bは、過剰酸素領域を有する絶縁体280と、酸化物230dを介して接する。そのため、絶縁体280と、チャネルが形成される領域を有する酸化物230bとの間に、酸化物230dが介在することにより、絶縁体280から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物230bへ拡散することを抑制することができる。  The conductor 240a, the conductor 240b, the oxide 230c, and the oxide 230b are in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region through the oxide 230d. Therefore, the oxide 230d is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, so that impurities such as hydrogen, water, and halogen can be extracted from the insulator 280. It is possible to suppress diffusion to 230b.

また、図50に示すトランジスタ200は、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ200のオン電流を増大させることができる。  50 does not have a high-resistance offset region, the on-state current of the transistor 200 can be increased.

<トランジスタの作製方法>
以下に、図44に示したトランジスタの作製方法の一例を図51乃至図54を参照して説明する。
<Method for Manufacturing Transistor>
An example of a method for manufacturing the transistor illustrated in FIGS. 44A to 44C is described below with reference to FIGS.

はじめに、基板を準備する(図示しない)。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、GOI(Germanium On Insulator)基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。  First, a substrate is prepared (not shown). There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate, but it is preferable that the substrate have heat resistance enough to withstand at least heat treatment performed later. For example, a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used. In addition, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, gallium arsenide, indium arsenide, or indium gallium arsenide, an SOI (Silicon On Insulator) substrate, or a GOI (Germanium On Insulator). A substrate or the like can also be applied, and a substrate in which a semiconductor element is provided over these substrates may be used.

また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。  Further, a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate. In order to manufacture a flexible semiconductor device, a transistor may be directly manufactured over a flexible substrate, or a transistor is manufactured over another manufacturing substrate, and then peeled off and transferred to the flexible substrate. Also good. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor including an oxide semiconductor.

次に、絶縁体214、絶縁体216を形成する。続いて、絶縁体216上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスク290を形成し、絶縁体214、および絶縁体216の不要な部分を除去する(図51(A)参照。)。その後、レジストマスク290を除去することにより、開口部を形成することができる。  Next, the insulator 214 and the insulator 216 are formed. Next, a resist mask 290 is formed over the insulator 216 by a lithography method or the like, and the insulator 214 and unnecessary portions of the insulator 216 are removed (see FIG. 51A). After that, by removing the resist mask 290, an opening can be formed.

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

レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。  As light used for forming the resist mask, for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or light obtained by mixing them can be used. In addition, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can be used. Further, exposure may be performed by an immersion exposure technique. Further, extreme ultraviolet light (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used as light used for exposure. Further, an electron beam can be used instead of the light used for exposure. It is preferable to use extreme ultraviolet light, X-rays, or an electron beam because extremely fine processing is possible. Note that a photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.

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

続いて、絶縁体214、および絶縁体216上に、導電体205A、および導電体205Bを成膜する。導電体205A、および導電体205Bは、スパッタリング法、蒸着法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい(図51(B)参照。)。  Subsequently, the conductor 205A and the conductor 205B are formed over the insulator 214 and the insulator 216. The conductors 205A and 205B can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like). In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable (see FIG. 51B).

続いて、導電体205A、および導電体205Bの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)処理などにより、絶縁体216が露出するまで、導電体205A、および導電体205Bの一部を除去することで、導電体205を形成する(図51(C)参照。)。この際、絶縁体216をストッパ層として使用することもでき、絶縁体216が薄くなる場合がある。  Subsequently, unnecessary portions of the conductor 205A and the conductor 205B are removed. For example, by removing a part of the conductor 205A and the conductor 205B until the insulator 216 is exposed by an etch-back process or a mechanical chemical polishing (CMP) process or the like, A conductor 205 is formed (see FIG. 51C). At this time, the insulator 216 can also be used as a stopper layer, and the insulator 216 may be thin.

ここで、CMP処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー(研磨剤)を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。  Here, the CMP process is a technique for flattening the surface of a workpiece by a combined chemical and mechanical action. More specifically, a polishing cloth is attached on the polishing stage, and the polishing stage and the workpiece are rotated or swung while supplying slurry (abrasive) between the workpiece and the polishing cloth. In this method, the surface of the workpiece is polished by a chemical reaction between the slurry and the surface of the workpiece and by mechanical polishing between the polishing cloth and the workpiece.

なお、CMP処理は、1回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。  The CMP process may be performed only once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform primary polishing at a low polishing rate after performing primary polishing at a high polishing rate. In this way, polishing with different polishing rates may be combined.

次に、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を形成する(図51(D)参照。)。  Next, the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are formed (see FIG. 51D).

絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、絶縁体320と同様の材料および方法で作製することができる。特に、絶縁体222には、酸化ハフニウムなどのhigh−k材料を用いることが好ましい。  The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 can be formed using a material and a method similar to those of the insulator 320. In particular, the insulator 222 is preferably formed using a high-k material such as hafnium oxide.

絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、例えば、スパッタリング法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、プラズマ励起CVD(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法等を含む)、分子エピキタシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をCVD法、好ましくはALD法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法またはALD法が好ましい。また、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。  The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are formed using, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (thermal CVD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or a chemical vapor deposition (MOCVD) method, Plasma-excited CVD (including PECVD: Plasma Enhanced Chemical Deposition) method, molecular epitaxy (MBE) method, atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposition Laser deposition) ) Method or the like. In particular, it is preferable to form the insulator by a CVD method, preferably an ALD method, because coverage can be improved. In order to reduce damage caused by plasma, thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable. Alternatively, a silicon oxide film with good step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen, nitrous oxide, or the like can be used.

なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体220と絶縁体222との界面、および絶縁体222と絶縁体224との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。  Note that the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are preferably formed successively. By forming a film continuously, an insulator with high reliability can be formed without an impurity adhering to the interface between the insulator 220 and the insulator 222 and the interface between the insulator 222 and the insulator 224. it can.

続いて、酸化物230aとなる酸化物230Aと、酸化物230bとなる酸化物230Bを順に成膜する。酸化物230A及び酸化物230Bの成膜方法については、上記の酸化物に係る記載を参酌することができる。また、当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。  Subsequently, an oxide 230A to be the oxide 230a and an oxide 230B to be the oxide 230b are sequentially formed. For the film formation method of the oxide 230A and the oxide 230B, the description on the oxide can be referred to. The oxide is preferably formed continuously without being exposed to the air.

その後、酸化物230A上に、導電体240a、および導電体240bとなる導電膜240Aを成膜する。導電膜240Aには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、2層以上の積層構造としてもよい。続いて、上記と同様の方法によりレジストマスク292を形成する(図51(E)参照。)。  After that, a conductive film 240A to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed over the oxide 230A. The conductive film 240A is preferably formed using a material that has a barrier property against hydrogen or oxygen and also has high oxidation resistance. In addition, although a single layer is shown in the figure, a stacked structure of two or more layers may be used. Subsequently, a resist mask 292 is formed by a method similar to the above (see FIG. 51E).

レジストマスク292を用いて、導電膜240Aの不要な部分をエッチングにより除去し、島状の導電層240Bを形成する(図52(A)参照。)。その後、導電層240Bをマスクとして酸化物230a、および酸化物230bの不要な部分をエッチングにより除去する。  Using the resist mask 292, an unnecessary portion of the conductive film 240A is removed by etching, so that an island-shaped conductive layer 240B is formed (see FIG. 52A). After that, unnecessary portions of the oxide 230a and the oxide 230b are removed by etching using the conductive layer 240B as a mask.

このとき、同時に絶縁体224も、島状に加工してもよい。例えば、バリア性を有する絶縁体222をエッチングストッパー膜として用いることで、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体220の合計膜厚が薄い構造においても、下方にある配線層まで、オーバーエッチングされることを防止することができる。また、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体220の合計膜厚が薄くすることで導電体205からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。  At this time, the insulator 224 may be processed into an island shape at the same time. For example, by using the insulator 222 having a barrier property as an etching stopper film, even in a structure where the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 220 is thin, over-etching is performed up to the wiring layer below. Can be prevented. In addition, since the voltage from the conductor 205 is efficiently applied by reducing the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 220, a transistor with low power consumption can be provided.

その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物230a、島状の酸化物230b、および島状の導電層240Bの積層構造を形成することができる(図52(B)参照。)。  After that, by removing the resist mask, a stacked structure of the island-shaped oxide 230a, the island-shaped oxide 230b, and the island-shaped conductive layer 240B can be formed (see FIG. 52B).

続いて、加熱処理を行うことが好ましい(図52(C)参照、図中矢印は加熱処理を表す。)。加熱処理は、250℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上380℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物230a、および酸化物230bの不純物である水素または水を除去することができる。また、酸化物230aの下方に形成された絶縁体から、酸化物230a、および酸化物230bに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。  Subsequently, heat treatment is preferably performed (see FIG. 52C, an arrow in the drawing represents heat treatment). The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C., preferably 320 ° C. to 380 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or in a reduced pressure state. The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. By the heat treatment, hydrogen or water which is an impurity of the oxide 230a and the oxide 230b can be removed. Further, oxygen is supplied to the oxide 230a and the oxide 230b from the insulator formed below the oxide 230a, so that oxygen vacancies in the oxide can be reduced.

次に、島状の導電層240B上に上記と同様の方法によりレジストマスク294を形成する(図52(D)参照。)。続いて、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去した後、レジストマスク294を除去することにより、導電体240a、および導電体240bを形成する(図53(A)参照。)。この際、絶縁体224、または絶縁体222に対して、オーバーエッチングを行うことで、s−channel構造としてもよい。  Next, a resist mask 294 is formed over the island-shaped conductive layer 240B by a method similar to the above (see FIG. 52D). Subsequently, after unnecessary portions of the conductive film are removed by etching, the resist mask 294 is removed, so that the conductors 240a and 240b are formed (see FIG. 53A). At this time, the insulator 224 or the insulator 222 may be over-etched to have an s-channel structure.

続いて、加熱処理を行うことが好ましい(図53(B)参照、図中矢印は加熱処理を表す。)。加熱処理は、250℃以上400℃以下、好ましくは320℃以上380℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物230a、および酸化物230bの不純物である水素または水を除去することができる。また、酸化物230aの下方に形成された絶縁体から、酸化物230a、および酸化物230bに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。さらに、酸化性ガスで加熱処理を行う場合、チャネルが形成される領域に、直接酸化性ガスが接することで、効率的に、チャネルが形成される領域の酸素欠損を低減することができる。  Subsequently, it is preferable to perform heat treatment (see FIG. 53B, arrows in the drawing represent heat treatment). The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C., preferably 320 ° C. to 380 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or in a reduced pressure state. The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. By the heat treatment, hydrogen or water which is an impurity of the oxide 230a and the oxide 230b can be removed. Further, oxygen is supplied to the oxide 230a and the oxide 230b from the insulator formed below the oxide 230a, so that oxygen vacancies in the oxide can be reduced. Further, in the case where heat treatment is performed with an oxidizing gas, oxygen vacancies in the region where the channel is formed can be efficiently reduced by contacting the oxidizing gas directly with the region where the channel is formed.

続いて、酸化物230c、絶縁体250、および導電体260となる導電膜260Aを順に成膜する。また、酸化物230cの成膜方法については、上記の酸化物に係る記載を参酌することができる。また、導電膜260Aには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、2層以上の積層構造としてもよい。  Subsequently, an oxide 230c, an insulator 250, and a conductive film 260A to be the conductor 260 are sequentially formed. For the film formation method of the oxide 230c, the description on the oxide can be referred to. The conductive film 260A is preferably formed using a material having a barrier property against hydrogen or oxygen and high oxidation resistance. In addition, although a single layer is shown in the figure, a stacked structure of two or more layers may be used.

例えば、2層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。第1の導電膜は、熱CVD法、MOCVD法またはALD法を用いて形成する。特に、ALD法を用いて形成することが好ましい。ALD法等により形成することで、絶縁体250に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ200を提供することができる。  For example, the two-layer structure may be provided by stacking the same material. The first conductive film is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method. In particular, it is preferable to form using the ALD method. By forming by the ALD method or the like, damage during film formation on the insulator 250 can be reduced. Moreover, it is preferable because the coverage can be improved. Therefore, the transistor 200 with high reliability can be provided.

続いて、第2の導電膜は、スパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体250上に、第1の導電膜を有することで、第2の導電膜の成膜時のダメージが、絶縁体250に影響することを抑制することができる。また、ALD法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。なお、導電膜260Aを成膜する際に、塩素を含まない成膜ガスを用いて、形成することが好ましい。  Subsequently, the second conductive film is formed by a sputtering method. At this time, by having the first conductive film over the insulator 250, it is possible to suppress the damage during the deposition of the second conductive film from affecting the insulator 250. Further, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the yield is high and the productivity can be improved. Note that it is preferable that the conductive film 260A be formed using a deposition gas that does not contain chlorine.

次に、導電膜260A上に、上記と同様の方法によりレジストマスク296を形成する(図53(C)参照。)。続いて、導電膜260Aの不要な部分をエッチングにより除去することで、導電体260を形成した後、レジストマスク296を除去する(図53(D)参照。)。  Next, a resist mask 296 is formed over the conductive film 260A by a method similar to the above (see FIG. 53C). Next, unnecessary portions of the conductive film 260A are removed by etching, whereby the conductor 260 is formed, and then the resist mask 296 is removed (see FIG. 53D).

続いて、導電体260上に、絶縁体280を形成する。絶縁体280は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、CVD法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成した後、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。  Subsequently, the insulator 280 is formed over the conductor 260. The insulator 280 is an insulator containing oxygen, such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. As a method for forming an insulator containing excess oxygen, a film formation condition in a CVD method or a sputtering method can be set as appropriate to form a silicon oxide film or a silicon oxynitride film containing a large amount of oxygen in the film. . Alternatively, oxygen may be added by an ion implantation method, an ion doping method, or plasma treatment after the silicon oxide film or the silicon oxynitride film is formed.

特に、酸素プラズマ処理を行うことが好ましい(図54(A)参照、図中矢印はプラズマ処理を表す。)。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、250℃以上400℃以下、好ましくは300℃以上400℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。  In particular, oxygen plasma treatment is preferably performed (see FIG. 54A, arrows in the drawing represent plasma treatment). A typical oxygen plasma treatment is to treat the surface of an oxide semiconductor with radicals generated by glow discharge plasma of oxygen gas. As a gas for generating plasma, not only oxygen but also oxygen gas and rare gas are used. The mixed gas may be used. For example, the temperature may be 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

酸素プラズマ処理により、絶縁体280、および酸化物230が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体280に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物230には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体280の過剰な酸素により、酸化物230の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理によりまた、絶縁体280、および酸化物230は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ200の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。  By the oxygen plasma treatment, the insulator 280 and the oxide 230 are dehydrated or dehydrogenated, and an excess oxygen region can be formed by introducing excess oxygen into the insulator 280. In addition, oxygen vacancies are generated in the dehydrated or dehydrogenated oxide 230, and the resistance is reduced. On the other hand, oxygen deficiency in the oxide 230 is filled with excess oxygen in the insulator 280. Therefore, by the oxygen plasma treatment, the insulator 280 and the oxide 230 can remove hydrogen or water as impurities while filling oxygen vacancies. Accordingly, improvement in electrical characteristics of the transistor 200 and variation in electrical characteristics can be reduced.

続いて、絶縁体280上に、絶縁体282を形成する。絶縁体282は、スパッタリング装置により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で、容易に絶縁体282の下層である絶縁体280に過剰酸素領域を形成することができる。  Subsequently, an insulator 282 is formed over the insulator 280. The insulator 282 is preferably formed with a sputtering apparatus. By using the sputtering method, an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 280 which is the lower layer of the insulator 282.

スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。  During film formation by sputtering, ions and sputtered particles exist between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power source and is supplied with the potential E0. The substrate is given a potential E1 such as a ground potential. However, the substrate may be electrically floating. In addition, there is a region having the potential E2 between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2> E1> E0.

プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体280に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体280の内部まで到達する。イオンが絶縁体280に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体280に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体280に過剰酸素領域が形成される。  Ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, whereby particles sputtered from the target are ejected. The sputtered particles adhere to and deposit on the film formation surface to form a film. In addition, some ions recoil by the target and may be taken into the insulator 280 below the formed film through the film formed as recoil ions. Further, ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E1, and impact the film formation surface. At this time, some of the ions reach the inside of the insulator 280. When the ions are taken into the insulator 280, a region into which the ions are taken is formed in the insulator 280. That is, when the ions are oxygen-containing ions, an excess oxygen region is formed in the insulator 280.

絶縁体280に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体280の過剰な酸素は、加熱処理などを行うことで、酸化物230に供給され、酸化物230の酸素欠損が補填することができる。また例えば、スパッタリング法を用いて絶縁体282を成膜する際に、基板を加熱しながら成膜することで、成膜後に過熱処理をしなくても、酸化物230に酸素を供給することができる場合がある。  By introducing excess oxygen into the insulator 280, an excess oxygen region can be formed. Excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide 230 by heat treatment or the like, so that oxygen vacancies in the oxide 230 can be filled. Further, for example, when the insulator 282 is formed by a sputtering method, oxygen can be supplied to the oxide 230 without performing overheating after the film formation by heating the substrate. There are cases where it is possible.

このとき、酸化物230において、配向性を有する結晶部の側面に過剰な酸素(活性酸素または原子状酸素など)が結合する。さらに結合した活性酸素にIn、MまたはZnなどの金属が結合する。このように、活性酸素と、In、MまたはZnなどの金属と、が繰り返し結合することにより、配向性を有する結晶部の側面から横方向に、固相成長していると考えることができる。また、予め酸化物230a、酸化物230bに加熱処理を行い、脱水、脱水素化を図ることにより、酸化物230に含まれる水または水素などの不純物を低減しておくことができる。これにより、酸化物230に含まれる水または水素などの不純物によって、酸素の拡散が妨げられることが低減されるので、より効率的に酸素を酸化物230に供給することができる。  At this time, in the oxide 230, excess oxygen (such as active oxygen or atomic oxygen) is bonded to the side surface of the crystal part having orientation. Further, a metal such as In, M, or Zn is bonded to the bonded active oxygen. In this way, it can be considered that the active oxygen and a metal such as In, M, or Zn are repeatedly bonded to each other so that solid phase growth occurs laterally from the side surface of the crystal part having orientation. In addition, by performing heat treatment on the oxide 230a and the oxide 230b in advance to perform dehydration and dehydrogenation, impurities such as water or hydrogen contained in the oxide 230 can be reduced. Accordingly, the diffusion of oxygen due to impurities such as water or hydrogen contained in the oxide 230 is reduced, so that oxygen can be supplied to the oxide 230 more efficiently.

ここで、絶縁体280と接する導電体260、導電体240a、および導電体240bに、耐酸化性が高い導電体を用いる場合、絶縁体280の過剰な酸素は、導電体260、導電体240a、および導電体240bに、吸収されることなく、効率的に酸化物230へ供給することができる。したがって、トランジスタ200の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。  Here, in the case where a highly oxidation-resistant conductor is used for the conductor 260, the conductor 240a, and the conductor 240b that are in contact with the insulator 280, excessive oxygen in the insulator 280 is generated by the conductor 260, the conductor 240a, And it can supply to the oxide 230 efficiently, without being absorbed by the conductor 240b. Accordingly, improvement in electrical characteristics of the transistor 200 and variation in electrical characteristics can be reduced.

以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ200を作製することができる。  Through the above steps, the transistor 200 of one embodiment of the present invention can be manufactured.

<半導体装置の構成例>
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置(記憶装置)の一例を図55乃至図61に示す。なお、図55(A)は、図56乃至図59、および図61乃至62を回路図で表したものである。図60、および図61は、図56乃至図59、および図61乃至62に示す半導体装置が形成される領域の端部を示す。
<Configuration example of semiconductor device>
One example of a semiconductor device (memory device) using a capacitor which is one embodiment of the present invention is illustrated in FIGS. FIG. 55A is a circuit diagram of FIGS. 56 to 59 and FIGS. 61 to 62. 60 and 61 show end portions of regions where the semiconductor devices shown in FIGS. 56 to 59 and FIGS. 61 to 62 are formed.

<半導体装置の回路構成1>
図55(A)、および図56乃至図59に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ200、および容量素子100を有している。
<Circuit Configuration 1 of Semiconductor Device>
The semiconductor device illustrated in FIG. 55A and FIGS. 56 to 59 includes the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100.

トランジスタ200は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置(記憶装置)に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体装置(記憶装置)とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。  The transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 for a semiconductor device (memory device). In other words, the semiconductor device (memory device) which does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation can be used, so that power consumption can be sufficiently reduced.

図55(A)において、配線3001はトランジスタ300のソースと電気的に接続され、配線3002はトランジスタ300のドレインと電気的に接続されている。また、配線3003はトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線3004はトランジスタ200のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ300のゲート、およびトランジスタ200のソースおよびドレインの他方は、容量素子100の電極の一方と電気的に接続され、配線3005は容量素子100の電極の他方と電気的に接続されている。  In FIG. 55A, the wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. The wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 200, and the wiring 3004 is electrically connected to the gate of the transistor 200. The gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .

図55(A)に示す半導体装置は、トランジスタ300のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。  The semiconductor device illustrated in FIG. 55A has the property that the potential of the gate of the transistor 300 can be held; thus, information can be written, held, and read as described below.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ200が導通状態となる電位にして、トランジスタ200を導通状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ300のゲート、および容量素子100の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トランジスタ300のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ200が非導通状態となる電位にして、トランジスタ200を非導通状態とすることにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。  Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, so that the transistor 200 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the node FG that is electrically connected to one of the gate of the transistor 300 and the electrode of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing). Here, it is assumed that one of two charges that give two different potential levels (hereinafter referred to as a Low level charge and a High level charge) is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off and the transistor 200 is turned off, so that charge is held at the node FG (holding).

トランジスタ200のオフ電流が小さい場合、ノードFGの電荷は長期間にわたって保持される。  When the off-state current of the transistor 200 is small, the charge of the node FG is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ300をnチャネル型とすると、トランジスタ300のゲートにHighレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ300のゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ300を「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、ノードFGに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードFGにHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ300は「導通状態」となる。一方、ノードFGにLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ300は「非導通状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読み出すことができる。Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, the second wiring 3002 has a charge held in the node FG. Take a potential according to the amount. This is because, when the transistor 300 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H when the gate of the transistor 300 is supplied with a high level charge is the low level charge applied to the gate of the transistor 300. This is because it becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L in the case of being present. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for bringing the transistor 300 into a “conductive state”. Therefore, by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L , the charge given to the node FG can be determined. For example, in writing, when a high-level charge is applied to the node FG, the transistor 300 is turned “on” when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). On the other hand, when a low-level charge is supplied to the node FG, the transistor 300 remains in a “non-conduction state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 (<V th_L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, information held in the node FG can be read.

また、図55(A)に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置(メモリセルアレイ)を構成することができる。  A memory device (memory cell array) can be formed by arranging the semiconductor devices illustrated in FIG. 55A in a matrix.

なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「非導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより低い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードFGに与えられた電荷によらずトランジスタ300が「導通状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。Note that when memory cells are arranged in an array, information of a desired memory cell must be read at the time of reading. In a memory cell from which information is not read, a potential that causes the transistor 300 to be “non-conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential lower than V th_H is supplied to the fifth wiring 3005. A configuration in which only information of a desired memory cell can be read out is sufficient. Alternatively , in a memory cell from which information is not read, the fifth wiring 3005 is supplied with a potential at which the transistor 300 becomes “conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential higher than V th_L. Thus, only the desired memory cell information may be read.

<半導体装置の回路構成2>
図55(B)に示す半導体装置は、トランジスタ300を有さない点で図55(A)に示した半導体装置と異なる。この場合も図55(A)に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
<Circuit Configuration 2 of Semiconductor Device>
The semiconductor device illustrated in FIG. 55B is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 55A in that the transistor 300 is not provided. In this case as well, data can be written and held by operations similar to those of the semiconductor device shown in FIG.

図55(B)に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ200が導通状態になると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子100とが導通し、第3の配線3003と容量素子100の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子100の電極の一方の電位(または容量素子100に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。  Information reading in the semiconductor device illustrated in FIG. 55B is described. When the transistor 200 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 100 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 100. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on one potential of the electrode of the capacitor 100 (or charge accumulated in the capacitor 100).

例えば、容量素子100の電極の一方の電位をV、容量素子100の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+CV)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子100の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+CV0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。  For example, the potential of one electrode of the capacitor 100 is V, the capacitance of the capacitor 100 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed. Assuming VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + CV) / (CB + C). Therefore, when the potential of one of the electrodes of the capacitor 100 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held. It can be seen that the potential (= (CB × VB0 + CV1) / (CB + C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (= (CB × VB0 + CV0) / (CB + C)). .

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

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ200として第2の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。  In this case, a transistor to which the first semiconductor is applied is used as a driver circuit for driving a memory cell, and a transistor to which the second semiconductor is applied is stacked on the driver circuit as the transistor 200. do it.

以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが好ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。  The semiconductor device described above can hold stored data for a long time by using a transistor with an off-state current that includes an oxide semiconductor. That is, a refresh operation is unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that a semiconductor device with low power consumption can be realized. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリとは異なり書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。  In addition, since the semiconductor device does not require a high voltage for writing information, the element hardly deteriorates. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, since electrons are not injected into the floating gate and electrons are not extracted from the floating gate, there is no problem of deterioration of the insulator. In other words, unlike a conventional nonvolatile memory, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention has no limitation on the number of rewritable times, and is a semiconductor device in which reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the conductive state and non-conductive state of the transistor, high-speed operation is possible.

<半導体装置の構造>
本発明の一態様の半導体装置は、図56に示すようにトランジスタ300、トランジスタ200、容量素子100を有する。トランジスタ200はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子100はトランジスタ300、およびトランジスタ200の上方に設けられている。
<Structure of semiconductor device>
The semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG. The transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.

トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体314、基板311の一部からなる半導体領域312、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318a、および低抵抗領域318bを有する。  The transistor 300 includes a conductor 316, an insulator 314, a semiconductor region 312 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 318a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 318b. Have.

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。  The transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.

半導体領域312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318a、および低抵抗領域318b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。  The region in which the channel of the semiconductor region 312 is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 318a serving as the source region or the drain region, the low resistance region 318b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.

低抵抗領域318a、および低抵抗領域318bは、半導体領域312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 318 a and the low-resistance region 318 b provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or a p-type conductivity property such as boron, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 312. Containing elements.

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 includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタル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 the threshold voltage can be adjusted by determining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.

また、図56に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域312(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域312の側面および上面を、絶縁体314を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。  In the transistor 300 illustrated in FIGS. 56A and 56B, a semiconductor region 312 (a part of the substrate 311) where a channel is formed has a convex shape. In addition, the conductor 316 is provided so as to cover a side surface and an upper surface of the semiconductor region 312 with an insulator 314 interposed therebetween. Note that the conductor 316 may be formed using a material that adjusts a work function. Such a transistor 300 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is described here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

なお、図56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。例えば、図46に示すようにトランジスタ300の構成を、プレーナ型として設けてもよい。また、図55(B)に示す回路構成とする場合、トランジスタ300を設けなくともよい。  Note that the transistor 300 illustrated in FIGS. 56A and 56B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method. For example, as illustrated in FIG. 46, the structure of the transistor 300 may be provided as a planar type. In the case of the circuit configuration illustrated in FIG. 55B, the transistor 300 is not necessarily provided.

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 sequentially stacked so as 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. That's fine.

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機能する。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:Chemical Mechanical Polishing)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 functions as a planarization film that planarizes a step generated by the transistor 300 or the like provided below the insulator 322. The top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve planarity.

絶縁体324には、例えば、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200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, for example, a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from the substrate 311, the transistor 300, or the like into a region where the transistor 200 is provided is preferably used.

例えば、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200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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200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。  For example, as an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))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、50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×1015atoms/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。The amount of desorption of hydrogen can be analyzed using, for example, a temperature desorption gas analysis method (TDS (Thermal Desorption Spectroscopy)). For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 × 10 5 in terms of the amount of desorbed hydrogen atoms converted to hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in TDS analysis. It may be 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324の比誘電率は、絶縁体326の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。  Note that the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3. For example, the relative dielectric constant of the insulator 324 is preferably equal to or less than 0.7 times that of the insulator 326, and more preferably equal to or less than 0.6 times. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the 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100、またはトランジスタ200と電気的に接続する導電体328、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、または配線として機能を有する。なお、後述するが、プラグまたは配線として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、配線と電気的に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。  The insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a conductor 328, a conductor 330, and the like that are electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings. Note that, as will be described later, a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by collecting a plurality of structures. In this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function 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 (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked 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 formed using a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered 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56において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線として機能を有する。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. 56, an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked. A conductor 356 is formed in the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ200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200への水素の拡散を抑制することができる。  For example, as the insulator 350, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as in the case of the insulator 324. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a barrier layer, and hydrogen diffusion from the transistor 300 to the transistor 200 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。  For example, tantalum nitride may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. 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上には、絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかまたは全部を、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。  Over the insulator 354, the insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216 are sequentially stacked. A substance having a barrier property against oxygen or hydrogen is preferably used for any or all of the insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216.

例えば、絶縁体358、および絶縁体212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200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。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。  For example, as the insulator 358 and the insulator 212, a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from a region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to a region where the transistor 200 is provided, for example. 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200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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200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, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

また、例えば、絶縁体213、および絶縁体214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。  For example, the insulator 213 and the insulator 214 are 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200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200に対する保護膜として用いることに適している。  In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

また、例えば、絶縁体210、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体216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。  For example, the insulator 210 and the insulator 216 can be formed using a material similar to that of the insulator 320. For example, as the insulator 216, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.

また、絶縁体358、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200を構成する導電体(導電体205)等が埋め込まれている。なお、導電体218は、容量素子100、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体218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 insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216 are embedded with a conductor 218, a conductor (the conductor 205) included in the transistor 200, and the like. ing. Note that the conductor 218 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300. The conductor 218 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

特に、絶縁体358、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と接する領域の導電体218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200とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全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200への水素の拡散を抑制することができる。  In particular, the insulator 358, the insulator 212, the insulator 213, and the conductor 218 in a region in contact with the insulator 214 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the transistor 300 and the transistor 200 are layers having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water and can be completely separated from each other, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed. .

絶縁体216の上方には、トランジスタ200が設けられている。なお、トランジスタ200の構造は、上述のトランジスタを用いればよい。また、図56に示すトランジスタ200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。  A transistor 200 is provided above the insulator 216. Note that the transistor described above may be used as the structure of the transistor 200. The transistor 200 illustrated in FIGS. 56A and 56B is an example and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.

トランジスタ200の上方には、絶縁体280を設ける。絶縁体280には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体280には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域(以下、過剰酸素領域ともいう)が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ200に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ200近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ200の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。  An insulator 280 is provided above the transistor 200. For the insulator 280, an oxide containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is preferably used. That is, the insulator 280 is preferably formed with a region where oxygen is present in excess of the stoichiometric composition (hereinafter also referred to as an excess oxygen region). In particular, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 200, reliability is improved by providing an insulator having an excess oxygen region in an interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200 to reduce oxygen vacancies in the transistor 200. Can do.

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは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500℃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 an excess oxygen region. The oxide which desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 in TDS analysis. An oxide film having atoms / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。  For example, as such a material, a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used. Alternatively, a metal oxide can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and silicon nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

また、トランジスタ200を覆う絶縁体280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。また、絶縁体280には、導電体244等が埋め込まれている。  Further, the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 200. Further, a conductor 244 and the like are embedded in the insulator 280.

導電体244は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体244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 conductor 244 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 244 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.

例えば、導電体244を積層構造として設ける場合、耐酸化性が高い導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する領域に、耐酸化性が高い導電体を設けることが好ましい。当該構成により、絶縁体280から過剰な酸素を、導電体244が吸収することを抑制することができる。また、導電体244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、過剰酸素領域を有する絶縁体280と接する領域に、水素などの不純物に対するバリア性を有する導電体を設けることで、導電体244中の不純物、および導電体244の一部の拡散や、外部からの不純物の拡散経路となることを抑制することができる。  For example, in the case where the conductor 244 is provided as a stacked structure, a conductor having high oxidation resistance is preferably included. In particular, a conductor having high oxidation resistance is preferably provided in a region in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region. With this structure, the conductor 244 can suppress excessive oxygen from the insulator 280. The conductor 244 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, by providing a conductor having a barrier property against impurities such as hydrogen in a region in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region, diffusion of impurities in the conductor 244 and part of the conductor 244, It can be suppressed that it becomes a diffusion path of impurities from.

また、導電体244上に、バリア層245を設けてもよい。バリア層245を有することで、導電体244に含まれる不純物や、導電体244の一部の拡散を抑制することができる。  Further, a barrier layer 245 may be provided over the conductor 244. By including the barrier layer 245, impurities contained in the conductor 244 and diffusion of part of the conductor 244 can be suppressed.

バリア層245には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、または窒化タンタルなどの金属窒化物などを用いることが好ましい。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200への混入を防止することができる。  For the barrier layer 245, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, or a metal nitride such as tantalum nitride is preferably used. In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor.

バリア層245、および絶縁体280上には、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110が順に積層して設けられている。また、絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110には、導電体124等が埋め込まれている。なお、導電体124は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体124は、導電体356と同様の材料を用いて設けることができる。  Over the barrier layer 245 and the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 284, and the insulator 110 are sequentially stacked. A conductor 124 and the like are embedded in the insulator 282, the insulator 283, the insulator 284, and the insulator 110. Note that the conductor 124 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300. The conductor 124 can be provided using a material similar to that of the conductor 356.

絶縁体282、絶縁体283、絶縁体284、および絶縁体110のいずれか、または全部に、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。従って、絶縁体282には、絶縁体214と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体283には、絶縁体213と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体284には、絶縁体212と同様の絶縁体を用いることができる。また、絶縁体110には、絶縁体216と同様の材料を用いることができる。  A substance having a barrier property against oxygen or hydrogen is preferably used for any or all of the insulator 282, the insulator 283, the insulator 284, and the insulator 110. Therefore, the insulator 282 can be formed using a material similar to that of the insulator 214. The insulator 283 can be formed using a material similar to that of the insulator 213. For the insulator 284, an insulator similar to the insulator 212 can be used. The insulator 110 can be formed using a material similar to that of the insulator 216.

例えば、絶縁体282、および絶縁体283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。  For example, the insulator 282 and the insulator 283 are 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200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200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200に対する保護膜として用いることに適している。  In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.

絶縁体284には、容量素子100を設ける領域から、トランジスタ200が設ける領域に、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。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。  The insulator 284 is preferably formed using a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from a region where the capacitor 100 is provided to a region where the transistor 200 is provided. Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.

例えば、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200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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200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。  For example, as an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.

従って、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。  Therefore, the transistor 200 and the insulator 280 including an excess oxygen region are sandwiched between the stacked structure of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the stacked structure of the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284. It can be configured. The insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284 have barrier properties that suppress diffusion of impurities such as oxygen, hydrogen, and water.

絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。  The oxygen released from the insulator 280 and the transistor 200 can be prevented from diffusing into the layer in which the capacitor 100 or the transistor 300 is formed. Alternatively, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the layer above the insulator 282 and the layer below the insulator 214 into the transistor 200 can be suppressed.

つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  That is, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

ここで、図60にスクライブライン近傍の断面図を示す。  Here, FIG. 60 shows a cross-sectional view in the vicinity of the scribe line.

例えば、図60(A)に示すように、トランジスタ200を有するメモリセルの外縁に設けられるスクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設ける。また、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面を覆うように、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284を設ける。  For example, as illustrated in FIG. 60A, an insulator 212, an insulator 213, and an insulator are formed in the vicinity of a region overlapping with a scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing) provided at the outer edge of the memory cell including the transistor 200. 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 are provided with openings. The insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 so as to cover the side surfaces thereof, the insulator 282, the insulator 283, and An insulator 284 is provided.

従って、該開口において、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と絶縁体282とが接する。また、絶縁体282上に、絶縁体213、および絶縁体214を積層する。このとき、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の少なくとも一と、絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。  Therefore, the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the opening. Further, the insulator 213 and the insulator 214 are stacked over the insulator 282. At this time, adhesion can be improved by forming at least one of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 using the same material and the same method.

当該構造により、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284で、絶縁体280、及びトランジスタ200を包み込むことができる。絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体282、絶縁体283、および絶縁体284は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体装置をスクライブしても、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ200に拡散することを防ぐことができる。  With this structure, the insulator 280 and the transistor 200 can be wrapped with the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284. The insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water; Even when the semiconductor device shown is scribed, hydrogen or water can be prevented from entering from the side surfaces of the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 and diffusing into the transistor 200.

また、当該構造により、絶縁体280の過剰酸素が絶縁体282、および絶縁体214の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体280の過剰酸素は、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  Further, with this structure, excess oxygen in the insulator 280 can be prevented from diffusing outside the insulator 282 and the insulator 214. Accordingly, excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 is efficiently formed. With the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be reduced. Accordingly, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

また、例えば、図60(B)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)の両側となる領域において、絶縁体212、絶縁体213、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設けてもよい。なお、図では開口は2か所としたが、必要に応じて、複数の開口を設けてもよい。  In addition, for example, as illustrated in FIG. 60B, in the regions on both sides of the scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing), the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 216, and the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 may be provided with openings. In the figure, there are two openings, but a plurality of openings may be provided if necessary.

従って、スクライブラインの両側に設けられた開口において、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214と絶縁体282とが、少なくとも2か所で接するため、より密着性が高い構造となる。なお、この場合においても、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214の少なくとも一と、絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。  Therefore, in the openings provided on both sides of the scribe line, the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in at least two places, so that a structure with higher adhesion is obtained. Note that also in this case, the adhesiveness can be improved by forming the insulator 282 using the same material and the same method as at least one of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214.

また、開口を複数設けることで、絶縁体282と、絶縁体212、絶縁体213、および絶縁体214とが、複数の領域で接する構造とすることができる。また、スクライブラインから侵入する不純物が、絶縁体214と絶縁体282が接する領域のうち、最もトランジスタ200と近い領域まで拡散する場合において、不純物の拡散距離を長くすることができる。  Further, by providing a plurality of openings, the insulator 282, the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 can be in contact with each other in a plurality of regions. Further, in the case where impurities entering from the scribe line diffuse to the region closest to the transistor 200 in the region where the insulator 214 and the insulator 282 are in contact, the impurity diffusion distance can be increased.

当該構造により、トランジスタ200と絶縁体280とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  With this structure, the transistor 200 and the insulator 280 can be tightly sealed. Therefore, an oxide in which a channel is formed in the transistor 200 can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

続いて、絶縁体284の上方には、絶縁体110、容量素子100、および導電体124が設けられている。容量素子100は、絶縁体110上に設けられ、導電体112(導電体112a、および導電体112b)と、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134と、導電体116とを有する。なお、導電体124は、容量素子100、トランジスタ200、またはトランジスタ300と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。  Subsequently, the insulator 110, the capacitor 100, and the conductor 124 are provided above the insulator 284. The capacitor 100 is provided over the insulator 110 and includes the conductor 112 (the conductor 112a and the conductor 112b), the insulator 130, the insulator 132, the insulator 134, and the conductor 116. Note that the conductor 124 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.

なお、導電体124は、導電体356と同様の材料を用いて設けることができる。  Note that the conductor 124 can be provided using a material similar to that of the conductor 356.

また、導電体112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。  The conductor 112 can be formed using 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 the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.

導電体112上に、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を設ける。絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134には、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよい。図では、3層構造で示したが、単層、2層、または4層以上の積層構造としてもよい。  An insulator 130, an insulator 132, and an insulator 134 are provided over the conductor 112. Examples of the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, and oxynitride Hafnium, nitrided hafnium oxide, hafnium nitride, or the like may be used. In the figure, a three-layer structure is shown, but a single layer, two layers, or a stacked structure of four or more layers may be used.

例えば、絶縁体130、および絶縁体134には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用い、絶縁体132には、酸化アルミニウムなどの高誘電率(high−k)材料を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子100は、高誘電率(high−k)の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子100の静電破壊を抑制することができる。  For example, the insulator 130 and the insulator 134 are preferably formed using a material having high dielectric strength such as silicon oxynitride, and the insulator 132 is preferably formed using a high dielectric constant (high-k) material such as aluminum oxide. . With this structure, the capacitor 100 has an insulator with a high dielectric constant (high-k), so that a sufficient capacitance can be secured, and the insulator having a high dielectric strength can improve the dielectric strength, The electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.

導電体112上に、絶縁体114を介して、導電体116を設ける。なお、導電体116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 116 is provided over the conductor 112 with an insulator 114 interposed therebetween. Note that the conductor 116 can be formed using 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 the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.

例えば、図56に示すように、電極の一方として機能する導電体112において、導電体112bのような凸状を有する構造体とすることで、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。  For example, as illustrated in FIG. 56, in the conductor 112 functioning as one of the electrodes, a structure having a convex shape like the conductor 112b can increase the capacitance per projected area of the capacitor. it can. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.

導電体116、および絶縁体134上には、絶縁体150が順に積層して設けられている。絶縁体110、および絶縁体150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、容量素子100の下部となる絶縁体110、および容量素子100を覆う絶縁体150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 150 is sequentially stacked over the conductor 116 and the insulator 134. The insulator 110 and the insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Further, the insulator 110 serving as the lower portion of the capacitor element 100 and the insulator 150 covering the capacitor element 100 may function as a planarization film that covers the concave and convex shapes below the insulator 110.

以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、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共に、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。  The above is the description of the configuration example. By using this structure, in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. 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.

<変形例1>
また、本実施の形態の変形例として、図57に示すように、導電体244を形成してもよい。つまり、絶縁体282にプラグを埋め込み、プラグ上に、配線となる導電体、およびバリア層245を積層構造で設けてもよい。この場合、導電体244を構成する導電体において、配線として機能する導電体は、耐酸化性が高い導電体を用いることが好ましい。
<Modification 1>
As a modification of this embodiment, a conductor 244 may be formed as shown in FIG. That is, a plug may be embedded in the insulator 282, and a conductor serving as a wiring and the barrier layer 245 may be provided over the plug in a stacked structure. In this case, in the conductor constituting the conductor 244, it is preferable to use a conductor having high oxidation resistance as the conductor functioning as a wiring.

<変形例2>
また、本実施の形態の変形例として、容量素子100において、必ずしも導電体122を有する必要はない。
<Modification 2>
As a modification of this embodiment, the capacitor 100 does not necessarily have the conductor 122.

例えば、図58に示す構造は、絶縁体280、絶縁体282、絶縁体284、および絶縁体110を形成した後、導電体244を形成している。そのため、導電体124と、容量素子100の一方の電極となる導電体112を同時に形成することができる。従って、少ない工程で生産することができるため、生産コストを削減し、生産性を高めることができる。  For example, in the structure illustrated in FIG. 58, the conductor 244 is formed after the insulator 280, the insulator 282, the insulator 284, and the insulator 110 are formed. Therefore, the conductor 124 and the conductor 112 serving as one electrode of the capacitor 100 can be formed at the same time. Therefore, since it can produce with few processes, production cost can be reduced and productivity can be improved.

また、導電体112上に、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を介して、導電体116を設ける。なお、導電体116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。  Further, the conductor 116 is provided over the conductor 112 with the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 interposed therebetween. Note that the conductor 116 can be formed using 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 the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.

なお、図58に示すように、導電体116を、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134を介して、導電体112の上面および側面を覆うように設ける。つまり、導電体112の側面においても、容量として機能するため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。  Note that as illustrated in FIG. 58, the conductor 116 is provided so as to cover the top surface and the side surface of the conductor 112 with the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 interposed therebetween. That is, the side surface of the conductor 112 also functions as a capacitor, so that the capacitance per projected area of the capacitor can be increased. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.

なお、当該構成は、導電体112を形成するときに、絶縁体110の上面を、絶縁体130、絶縁体132、および絶縁体134の合計の膜厚よりも大きく除去することが好ましい。例えば、オーバーエッチング処理とすることで、絶縁体110の一部も同時に除去することができる。また、オーバーエッチング処理により、導電体112等を形成することで、エッチング残渣を残すことなくエッチングすることができる。  Note that in this structure, when the conductor 112 is formed, the top surface of the insulator 110 is preferably removed larger than the total thickness of the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134. For example, part of the insulator 110 can be removed at the same time by performing the over-etching process. In addition, by forming the conductor 112 and the like by over-etching, etching can be performed without leaving an etching residue.

また、当該エッチング処理の途中で、エッチングガスの種類を切り替えることにより、効率よく絶縁体110の一部を除去することができる。  In addition, part of the insulator 110 can be efficiently removed by switching the type of etching gas during the etching process.

また、例えば、導電体112、および導電体124を形成した後、導電体112をハードマスクとして、絶縁体110の一部を除去してもよい。  Further, for example, after the conductor 112 and the conductor 124 are formed, part of the insulator 110 may be removed using the conductor 112 as a hard mask.

また、導電体112を形成した後、導電体112の表面を、クリーニング処理してもよい。クリーニング処理をすることで、エッチング残渣等を除去することができる。  Further, after the conductor 112 is formed, the surface of the conductor 112 may be cleaned. Etching residues and the like can be removed by performing the cleaning process.

また、図58に示すように、絶縁体213、および絶縁体283を設けなくともよい。本構成においても、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。  As shown in FIG. 58, the insulator 213 and the insulator 283 are not necessarily provided. Also in this structure, the transistor 200 and the insulator 280 including the excess oxygen region are sandwiched between the stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214 and the stacked structure of the insulator 282 and the insulator 284. it can. The insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have barrier properties that suppress diffusion of impurities such as oxygen, hydrogen, and water.

従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。  Therefore, diffusion of oxygen released from the insulator 280 and the transistor 200 to the layer where the capacitor 100 or the transistor 300 is formed can be suppressed. Alternatively, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the layer above the insulator 282 and the layer below the insulator 214 into the transistor 200 can be suppressed.

つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  That is, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

また、本変形例における、スクライブライン近傍の断面図を図61(A)、および図61(B)に示す。  In addition, cross-sectional views in the vicinity of the scribe line in this modification are shown in FIGS. 61 (A) and 61 (B).

例えば、図61(A)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体214と絶縁体282とが接し、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造となる。このとき、絶縁体214と絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。  For example, as illustrated in FIG. 61A, the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the vicinity of a region overlapping with a scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing), and the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 282 and an insulator 284 are stacked. At this time, the insulator 214 and the insulator 282 are formed using the same material and the same method, whereby a stacked structure with high adhesion is obtained.

当該構造により、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284で、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280を包み込むことができる。絶縁体212、絶縁体214、絶縁体282、および絶縁体284は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体装置をスクライブしても、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ200に拡散することを防ぐことができる。  With this structure, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 can enclose the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280. The insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water; therefore, even if the semiconductor device described in this embodiment is scribed, In addition, hydrogen or water can be prevented from entering from the side surfaces of the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 and diffusing into the transistor 200.

また、当該構造により、絶縁体280の過剰酸素が絶縁体282、および絶縁体214の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体280の過剰酸素は、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  Further, with this structure, excess oxygen in the insulator 280 can be prevented from diffusing outside the insulator 282 and the insulator 214. Accordingly, excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 is efficiently formed. With the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be reduced. Accordingly, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

また、例えば、図61(B)に示すように、スクライブライン(図中1点鎖線で示す)と重なる領域近傍において、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280に開口を設ける。また、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、及び絶縁体280の側面を覆うように、絶縁体282を設ける。さらに、絶縁体212、および絶縁体282に開口を設け、絶縁体212、および絶縁体282の側面と、絶縁体210の露出した上面と、を覆うように、絶縁体284を設ける。  For example, as illustrated in FIG. 61B, in the vicinity of a region overlapping with a scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing), the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 And an opening in the insulator 280. Further, the insulator 282 is provided so as to cover side surfaces of the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280. Furthermore, openings are provided in the insulator 212 and the insulator 282, and the insulator 284 is provided so as to cover the side surfaces of the insulator 212 and the insulator 282 and the exposed upper surface of the insulator 210.

つまり、開口において、絶縁体214と絶縁体282が接する。さらに、その外側では、絶縁体212と絶縁体282とが接する。このとき、絶縁体214と絶縁体282とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。また、絶縁体212と絶縁体284とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。  That is, the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the opening. Furthermore, the insulator 212 and the insulator 282 are in contact with each other outside. At this time, the insulator 214 and the insulator 282 are formed using the same material and the same method, whereby a stacked structure with high adhesion is obtained. Further, when the insulator 212 and the insulator 284 are formed using the same material and the same method, a stacked structure with high adhesion can be obtained.

当該構造により、トランジスタ200と絶縁体280とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  With this structure, the transistor 200 and the insulator 280 can be tightly sealed. Therefore, an oxide in which a channel is formed in the transistor 200 can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

<変形例3>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図59に示す。図59は、図58と、トランジスタ300、およびトランジスタ200の構成が異なる。
<Modification 3>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. FIG. 59 differs from FIG. 58 in the configuration of the transistor 300 and the transistor 200.

図59に示すトランジスタ300はチャネルが形成される半導体領域312(基板311の一部)が凸形状を有する。また、半導体領域312の側面および上面を、絶縁体314を介して、導電体316が覆うように設けられている。なお、導電体316は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ300は半導体基板の凸部を利用していることからFIN型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、SOI基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。  In the transistor 300 illustrated in FIG. 59, a semiconductor region 312 (a part of the substrate 311) where a channel is formed has a convex shape. In addition, the conductor 316 is provided so as to cover a side surface and an upper surface of the semiconductor region 312 with an insulator 314 interposed therebetween. Note that the conductor 316 may be formed using a material that adjusts a work function. Such a transistor 300 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate. Note that an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion. Although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form the convex portion is described here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.

図59に示すトランジスタ200構造は、図48、および図49で説明した構造である。絶縁体280に形成された開口部に、酸化物230c、絶縁体250、導電体260が形成されている。また、導電体240a、および導電体240bの一方の端部と、絶縁体280に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体240a、および導電体240bの三方の端部が、酸化物230の端部の一部と一致している。従って、導電体240a、および導電体240bは、酸化物230または絶縁体280の開口部と、同時に整形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。  The structure of the transistor 200 illustrated in FIG. 59 is the structure described with reference to FIGS. In the opening formed in the insulator 280, the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 are formed. In addition, one end of each of the conductors 240a and 240b and the end of the opening formed in the insulator 280 coincide with each other. Further, the three ends of the conductor 240 a and the conductor 240 b coincide with part of the end of the oxide 230. Therefore, the conductor 240a and the conductor 240b can be shaped simultaneously with the opening of the oxide 230 or the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.

さらに、図59に示すトランジスタ200は、導電体240aおよび導電体240bと、導電体260と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体260にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ200を提供することができる。  Further, the transistor 200 illustrated in FIG. 59 has a structure in which the conductors 240a and 240b and the conductor 260 do not overlap with each other, so that the parasitic capacitance applied to the conductor 260 can be reduced. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.

<変形例4>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図62に示す。図62(A)、および図62(B)はそれぞれ、一点鎖線A1−A2を軸とした、トランジスタ200のチャネル長、およびチャネル幅方向の断面を示す。
<Modification 4>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. 62A and 62B each illustrate a channel length and a channel width direction cross section of the transistor 200 using the dashed-dotted line A1-A2 as an axis.

図62に示すように、トランジスタ200、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300と容量素子100とを接続する貫通電極と、トランジスタ200との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。  As shown in FIG. 62, the transistor 200 and the insulator 280 including an excess oxygen region may be wrapped with a stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214 and a stacked structure of the insulator 282 and the insulator 284. Good. At that time, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 may have a stacked structure between the transistor 200 and the through electrode that connects the transistor 300 and the capacitor 100. preferable.

従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。  Therefore, diffusion of oxygen released from the insulator 280 and the transistor 200 to the layer where the capacitor 100 or the transistor 300 is formed can be suppressed. Alternatively, diffusion of impurities such as hydrogen and water into the transistor 200 from a layer above the insulator 282 and a layer below the insulator 214 can be suppressed.

つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  That is, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

<変形例5>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図63に示す。図63は、図59と、容量素子の構成が異なる。
<Modification 5>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. 63 differs from FIG. 59 in the structure of the capacitor.

図63に示すように、容量素子105を形成してもよい。容量素子105は、トランジスタ300との配線の一部も、容量素子として機能する。従って、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。また、容量素子105と、トランジスタ200との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。  As shown in FIG. 63, the capacitor 105 may be formed. In the capacitor 105, part of the wiring to the transistor 300 also functions as a capacitor. Accordingly, the capacitance per projected area of the capacitive element can be increased. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized. In addition, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 preferably have a stacked structure between the capacitor 105 and the transistor 200.

従って、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  Therefore, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

<変形例6>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図64に示す。図64(A)は、図55(A)に示す半導体装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した回路図である。また、図64(B)は、図64(A)の回路図と対応した半導体装置の断面図である。
<Modification 6>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. FIG. 64A is a circuit diagram in which part of a row is extracted in the case where the semiconductor device illustrated in FIG. 55A is arranged in a matrix. FIG. 64B is a cross-sectional view of the semiconductor device corresponding to the circuit diagram of FIG.

図64には、トランジスタ300、トランジスタ200、および容量素子100を有する半導体装置と、トランジスタ301、トランジスタ201、および容量素子101を有する半導体装置と、トランジスタ301、トランジスタ201、および容量素子101を有する半導体装置とが、同じ行に配置されている。  FIG. 64 illustrates a semiconductor device including the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100, a semiconductor device including the transistor 301, the transistor 201, and the capacitor 101, and a semiconductor including the transistor 301, the transistor 201, and the capacitor 101. The devices are arranged on the same line.

図64(B)に示すように、複数個のトランジスタ(図ではトランジスタ200、およびトランジスタ201)、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300、トランジスタ301、またはトランジスタ302と、容量素子100、容量素子101、または容量素子102と、を接続する貫通電極と、トランジスタ200、トランジスタ201、またはトランジスタ202との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。  As shown in FIG. 64B, a plurality of transistors (the transistor 200 and the transistor 201 in the figure) and the insulator 280 including an excess oxygen region are insulated from the stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214. A structure in which the structure is wrapped by a stacked structure of the body 282 and the insulator 284 may be employed. At that time, insulation is performed between the through electrode that connects the transistor 300, the transistor 301, or the transistor 302 and the capacitor 100, the capacitor 101, or the capacitor 102 and the transistor 200, the transistor 201, or the transistor 202. It is preferable that the body 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a stacked structure.

従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。  Therefore, diffusion of oxygen released from the insulator 280 and the transistor 200 to the layer where the capacitor 100 or the transistor 300 is formed can be suppressed. Alternatively, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the layer above the insulator 282 and the layer below the insulator 214 into the transistor 200 can be suppressed.

つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  That is, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

<変形例7>
また、本実施の形態の変形例の一例を、図65に示す。図65は、図64に示す半導体装置において、トランジスタ201、およびトランジスタ202を集積した場合の半導体装置の断面図である。
<Modification 7>
An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. FIG. 65 is a cross-sectional view of the semiconductor device in which the transistor 201 and the transistor 202 are integrated in the semiconductor device illustrated in FIG. 64.

図65に示すように、容量素子101の電極の一方となる導電体112の機能を、トランジスタ201のソース電極またはドレイン電極となる導電体240aと兼ねてもよい。その場合、トランジスタ201の酸化物230a、およびトランジスタ201のゲート絶縁体として機能する絶縁体250の導電体240a上に延在した領域が、容量素子101の絶縁体として機能する。従って、容量素子101の電極の他方となる導電体116を、導電体240a上に、絶縁体250、および酸化物230aを介して積層すればよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。  As shown in FIG. 65, the function of the conductor 112 serving as one of the electrodes of the capacitor 101 may also serve as the conductor 240a serving as the source electrode or the drain electrode of the transistor 201. In that case, the region extending over the oxide 230a of the transistor 201 and the conductor 240a of the insulator 250 functioning as a gate insulator of the transistor 201 functions as an insulator of the capacitor 101. Therefore, the conductor 116 serving as the other electrode of the capacitor 101 may be stacked over the conductor 240a with the insulator 250 and the oxide 230a interposed therebetween. With this configuration, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.

また、トランジスタ201と、トランジスタ202を重畳して設けてもよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。  Alternatively, the transistor 201 and the transistor 202 may be provided to overlap each other. With this configuration, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.

また、複数個のトランジスタ(図ではトランジスタ201、およびトランジスタ202)、および過剰酸素領域を含む絶縁体280を、絶縁体212、および絶縁体214の積層構造と、絶縁体282、および絶縁体284の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ300、トランジスタ301、またはトランジスタ302と、容量素子100、容量素子101、または容量素子102と、を接続する貫通電極と、トランジスタ200、トランジスタ201、またはトランジスタ202との間で、絶縁体212、および絶縁体214と、絶縁体282、および絶縁体284とが積層構造となることが好ましい。  In addition, a plurality of transistors (the transistor 201 and the transistor 202 in the drawing), and an insulator 280 including an excess oxygen region, a stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 It is good also as a structure wrapped up with a laminated structure. At that time, insulation is performed between the through electrode that connects the transistor 300, the transistor 301, or the transistor 302 and the capacitor 100, the capacitor 101, or the capacitor 102 and the transistor 200, the transistor 201, or the transistor 202. It is preferable that the body 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a stacked structure.

従って、絶縁体280、およびトランジスタ200から放出された酸素が、容量素子100、またはトランジスタ300が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体282よりも上方の層、および絶縁体214よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ200へ、拡散することを抑制することができる。  Therefore, diffusion of oxygen released from the insulator 280 and the transistor 200 to the layer where the capacitor 100 or the transistor 300 is formed can be suppressed. Alternatively, diffusion of impurities such as hydrogen and water into the transistor 200 from a layer above the insulator 282 and a layer below the insulator 214 can be suppressed.

つまり、絶縁体280の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ200におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ200の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。  That is, oxygen can be efficiently supplied from the excess oxygen region of the insulator 280 to the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed, so that oxygen vacancies can be reduced. Further, oxygen vacancies can be prevented from being formed due to impurities in the oxide in which the channel in the transistor 200 is formed. Thus, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.

上記の酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が小さい。このようなトランジスタを用いて、CMOSインバータ、CMOSアナログスイッチ、記憶素子などの回路素子を形成することができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタに加えて、シリコンなどの酸化物半導体以外の半導体を用いたトランジスタを組み合わせてもよい。このようなトランジスタや回路素子などを用いて、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器などの半導体装置を作製することができる。  A transistor including the above oxide semiconductor has low off-state current. Circuit elements such as a CMOS inverter, a CMOS analog switch, and a memory element can be formed using such a transistor. In addition to a transistor including an oxide semiconductor, a transistor including a semiconductor other than an oxide semiconductor such as silicon may be combined. A semiconductor device such as a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a processor, or an electronic device can be manufactured using such a transistor, a circuit element, or the like.

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

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

<回路>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について、図66、および図67を用いて説明する。
<Circuit>
Hereinafter, an example of a circuit of a semiconductor device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<記憶装置1>
図66に示す半導体装置は、トランジスタ3500、第6の配線3006を有する点で先の実施の形態で説明した半導体装置と異なる。この場合も先の実施の形態に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジスタ3500としては上記のトランジスタ3200と同様のトランジスタを用いればよい。
<Storage device 1>
The semiconductor device illustrated in FIG. 66 is different from the semiconductor device described in the above embodiment in that the transistor 3500 and the sixth wiring 3006 are provided. Also in this case, information writing and holding operations can be performed by the same operation as the semiconductor device described in the above embodiment. The transistor 3500 may be a transistor similar to the transistor 3200 described above.

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

<記憶装置2>
半導体装置(記憶装置)の変形例について、図67に示す回路図を用いて説明する。
<Storage device 2>
A modification of the semiconductor device (memory device) is described with reference to a circuit diagram shown in FIG.

図67に示す半導体装置は、トランジスタ4100乃至トランジスタ4400と、容量素子4500および容量素子4600と、を有する。ここでトランジスタ4100は、上述のトランジスタ300と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ4200乃至4400は、上述のトランジスタ200と同様のトランジスタを用いることができる。また、ここで容量素子4500、および容量素子4600は、上述の容量素子100と同様のトランジスタを用いることができる。なお、図67に示す半導体装置は、図67では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図67に示す半導体装置は、配線4001、配線4003、配線4005乃至4009に与える信号または電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。  A semiconductor device illustrated in FIG. 67 includes transistors 4100 to 4400, a capacitor 4500, and a capacitor 4600. Here, the transistor 4100 can be a transistor similar to the transistor 300 described above, and the transistors 4200 to 4400 can be transistors similar to the transistor 200 described above. Here, as the capacitor 4500 and the capacitor 4600, the same transistor as the capacitor 100 described above can be used. 67, although not shown in FIG. 67, a plurality of semiconductor devices are provided in a matrix. The semiconductor device illustrated in FIG. 67 can control writing and reading of a data voltage in accordance with a signal or a potential supplied to the wiring 4001, the wiring 4003, and the wirings 4005 to 4009.

トランジスタ4100のソースまたはドレインの一方は、配線4003に接続される。トランジスタ4100のソースまたはドレインの他方は、配線4001に接続される。なお図67では、トランジスタ4100の導電型をpチャネル型として示すが、nチャネル型でもよい。  One of a source and a drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4003. The other of the source and the drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4001. Note that although the conductivity type of the transistor 4100 is shown as a p-channel type in FIG. 67, it may be an n-channel type.

図67に示す半導体装置は、2つのデータ保持部を有する。例えば第1のデータ保持部は、ノードFG1に接続されるトランジスタ4400のソースまたはドレインの一方、容量素子4600の一方の電極、およびトランジスタ4200のソースまたはドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第2のデータ保持部は、ノードFG2に接続されるトランジスタ4100のゲート、トランジスタ4200のソースまたはドレインの他方、トランジスタ4300のソースまたはドレインの一方、および容量素子4500の一方の電極の間で電荷を保持する。  The semiconductor device illustrated in FIG. 67 includes two data holding units. For example, the first data holding portion holds electric charge between one of a source and a drain of the transistor 4400 connected to the node FG1, one electrode of the capacitor 4600, and one of the source and the drain of the transistor 4200. The second data holding portion is between the gate of the transistor 4100 connected to the node FG2, the other of the source and the drain of the transistor 4200, one of the source and the drain of the transistor 4300, and one electrode of the capacitor 4500. Holds charge.

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

トランジスタ4200乃至4400は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ4200乃至4400は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流(オフ電流)が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)であることが好ましい。OSトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図67では、トランジスタ4200乃至4400の導電型をnチャネル型として示すが、pチャネル型でもよい。  The transistors 4200 to 4400 function as switches for controlling writing of data voltages and holding of electric charges. Note that as the transistors 4200 to 4400, transistors with low current (off-state current) flowing between the source and the drain in a non-conduction state are preferably used. The transistor with low off-state current is preferably a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region (OS transistor). An OS transistor has advantages such as low off-state current and that it can be formed over a transistor including silicon. In FIG. 67, the conductivity types of the transistors 4200 to 4400 are shown as n-channel types, but may be p-channel types.

トランジスタ4200およびトランジスタ4300と、トランジスタ4400とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図67に示す半導体装置は、トランジスタ4100と、トランジスタ4200およびトランジスタ4300と、トランジスタ4400と、を積層して設けることが好ましい。トランジスタを有する層を積層して設けるとよい。つまり、トランジスタを集積化することで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。  The transistor 4200, the transistor 4300, and the transistor 4400 are preferably provided in different layers even when a transistor including an oxide semiconductor is used. That is, the semiconductor device illustrated in FIG. 67 is preferably provided by stacking the transistor 4100, the transistor 4200, the transistor 4300, and the transistor 4400. A layer including a transistor may be provided by stacking. That is, by integrating transistors, the circuit area can be reduced and the semiconductor device can be downsized.

次いで、図67に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。  Next, an operation of writing information to the semiconductor device illustrated in FIG. 67 is described.

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

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

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

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

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

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

図67に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線4009をハイレベルにして、ノードFG1、FG2の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。  In the semiconductor device illustrated in FIG. 67, after data voltages are written to a plurality of data holding portions, the wiring 4009 is set to a high level and the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased. Then, each transistor is brought into a non-conducting state to eliminate the movement of electric charges and to hold the written data voltage.

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

次いで、図67に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。  Next, an operation of reading information from the semiconductor device illustrated in FIG. 67 is described.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

以上説明したノードFG1、FG2からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードFG1およびノードFG2にそれぞれ4ビット(16値)のデータを保持することで計8ビット(256値)のデータを保持することができる。また、図67においては、第1の層4021乃至第3の層4023からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。  The data voltage can be read from the plurality of data holding units by the data voltage reading operation from the nodes FG1 and FG2 described above. For example, a total of 8 bits (256 values) of data can be held by holding 4 bits (16 values) of data in the nodes FG1 and FG2, respectively. In FIG. 67, the first layer 4021 to the third layer 4023 are used. However, by forming further layers, the storage capacity can be increased without increasing the area of the semiconductor device. .

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

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

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したOSトランジスタを適用可能な回路構成の一例について、図68乃至図71を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a circuit configuration to which the OS transistor described in the above embodiment can be applied will be described with reference to FIGS.

図68(A)にインバータの回路図を示す。インバータ800は、入力端子INに与える信号の論理を反転した信号を出力端子OUTから出力する。インバータ800は、複数のOSトランジスタを有する。信号SBGは、OSトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。FIG. 68A shows a circuit diagram of the inverter. The inverter 800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the signal applied to the input terminal IN from the output terminal OUT. The inverter 800 includes a plurality of OS transistors. The signal SBG is a signal that can switch the electrical characteristics of the OS transistor.

図68(B)に、インバータ800の一例を示す。インバータ800は、OSトランジスタ810、およびOSトランジスタ820を有する。インバータ800は、nチャネル型トランジスタで作製することができるため、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)でインバータ(CMOSインバータ)を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。  FIG. 68B illustrates an example of the inverter 800. The inverter 800 includes an OS transistor 810 and an OS transistor 820. Since the inverter 800 can be manufactured using an n-channel transistor, the inverter 800 can be manufactured at a lower cost compared to a case where an inverter (CMOS inverter) is manufactured using a complementary metal oxide semiconductor (CMOS).

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

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

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

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

図68(C)は、インバータ800の動作を説明するためのタイミングチャートである。図68(C)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、信号SBGの信号波形、およびOSトランジスタ810(FET810)の閾値電圧の変化について示している。FIG. 68C is a timing chart for explaining the operation of the inverter 800. In the timing chart of FIG. 68 (C), it shows the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, and the change in the threshold voltage of the signal waveform of the signal S BG and OS transistor 810, (FET810).

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

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

前述の説明を可視化するために、図69(A)には、トランジスタの電気特性の一つである、Vg−Idカーブを示す。  In order to visualize the above description, FIG. 69A shows a Vg-Id curve which is one of the electrical characteristics of the transistor.

上述したOSトランジスタ810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_のように大きくすることで、図69(A)中の破線840で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したOSトランジスタ810の電気特性は、第2ゲートの電圧を電圧VBG_のように小さくすることで、図69(A)中の実線841で表される曲線にシフトさせることができる。図69(A)に示すように、OSトランジスタ810は、信号SBGを電圧VBG_あるいは電圧VBG_というように切り替えることで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。The above-described electrical characteristics of the OS transistor 810 can be shifted to a curve represented by a broken line 840 in FIG. 69A by increasing the voltage of the second gate like the voltage V BG — A. Further, the above-described electrical characteristics of the OS transistor 810 can be shifted to a curve represented by a solid line 841 in FIG. 69A by reducing the voltage of the second gate as the voltage V BG — B. it can. As shown in FIG. 69 (A), OS transistor 810, by switching the signal S BG and so the voltage V BG _ A or the voltage V BG _ B, can be shifted in the positive or negative shift of the threshold voltage.

閾値電圧を閾値電圧VTH_にプラスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができる。図69(B)には、この状態を可視化して示す。図69(B)に図示するように、OSトランジスタ810に流れる電流Iを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態(ON)のとき、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させることができる。By positively shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH — B , the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow. FIG. 69 (B) visualizes this state. As shown in FIG. 69 (B), it can be extremely small current I B flowing through the OS transistor 810. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is in an on state (ON), the voltage at the output terminal OUT can be sharply decreased.

図69(B)に図示したように、OSトランジスタ810に流れる電流が流れにくい状態とすることができるため、図68(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形831を急峻に変化させることができる。電圧VDDを与える配線と、電圧VSSを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。  As shown in FIG. 69B, since the current flowing through the OS transistor 810 can be made difficult to flow, the signal waveform 831 at the output terminal in the timing chart shown in FIG. 68C is changed abruptly. Can do. Since the through current flowing between the wiring for applying the voltage VDD and the wiring for supplying the voltage VSS can be reduced, an operation with low power consumption can be performed.

また、閾値電圧を閾値電圧VTH_にマイナスシフトさせることで、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができる。図69(C)には、この状態を可視化して示す。図69(C)に図示するように、このとき流れる電流Iを少なくとも電流Iよりも大きくすることができる。そのため、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態(OFF)のとき、出力端子OUTの電圧を急峻に上昇させることができる。Further, by shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH — A minus, the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows. FIG. 69C visualizes this state. As shown in FIG. 69 (C), it can be larger than at least the current I B of the current I A flowing at this time. Therefore, when the signal supplied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 820 is in an off state (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased.

図69(C)に図示したように、OSトランジスタ810に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図68(C)に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形832を急峻に変化させることができる。  As illustrated in FIG. 69C, the current flowing through the OS transistor 810 can easily flow, and thus the signal waveform 832 of the output terminal in the timing chart illustrated in FIG. Can do.

なお、信号SBGによるOSトランジスタ810の閾値電圧の制御は、OSトランジスタ820の状態が切り替わる以前、すなわち時刻T1やT2よりも前に行うことが好ましい。例えば、図68(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻T1よりも前に、閾値電圧VTH_から閾値電圧VTH_にOSトランジスタ810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図68(C)に図示するように、入力端子INに与える信号がローレベルに切り替わる時刻T2よりも前に、閾値電圧VTH_から閾値電圧VTH_にOSトランジスタ810の閾値電圧を切り替えることが好ましい。The control of the threshold voltage of the OS transistor 810 by the signal S BG previously the state of the OS transistor 820 is switched, i.e. it is preferably performed before time T1 and T2. For example, as shown in FIG. 68 (C), before the time T1 when the signal applied to the input terminal IN is switched to the high level, the threshold of the OS transistor 810 from the threshold voltage V TH _ A threshold voltage V TH _ B It is preferable to switch the voltage. Further, as illustrated in FIG. 68 (C), prior to the time T2 when the signal applied to the input terminal IN is switched to the low level, the threshold of the OS transistor 810 from the threshold voltage V TH _ B to the threshold voltage V TH _ A It is preferable to switch the voltage.

なお図68(C)のタイミングチャートでは、入力端子INに与える信号に応じて信号SBGを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたOSトランジスタ810の第2ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図70(A)に示す。Note that although the structure in which the signal SBG is switched in accordance with the signal applied to the input terminal IN is illustrated in the timing chart in FIG. 68C, another structure may be employed. For example, the voltage for controlling the threshold voltage may be held in the second gate of the OS transistor 810 in a floating state. FIG. 70A illustrates an example of a circuit configuration that can realize this configuration.

図70(A)では、図68(B)で示した回路構成に加えて、OSトランジスタ850を有する。OSトランジスタ850の第1端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。またOSトランジスタ850の第2端子は、電圧VBG_(あるいは電圧VBG_)を与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第1ゲートは、信号Sを与える配線に接続される。OSトランジスタ850の第2ゲートは、電圧VBG_(あるいは電圧VBG_)を与える配線に接続される。FIG. 70A includes an OS transistor 850 in addition to the circuit configuration illustrated in FIG. The first terminal of the OS transistor 850 is connected to the second gate of the OS transistor 810. The second terminal of the OS transistor 850 is connected to a wiring to provide a voltage V BG _ B (or voltage V BG _ A). The first gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring for providing signal S F. The second gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring to provide a voltage V BG _ B (or voltage V BG _ A).

図70(A)の動作について、図70(B)のタイミングチャートを用いて説明する。  The operation in FIG. 70A is described with reference to a timing chart in FIG.

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

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

なお図68(B)および図70(A)の回路構成では、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子INに与える信号を基に生成し、OSトランジスタ810の第2ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図71(A)に示す。  Note that in the circuit configurations in FIGS. 68B and 70A, the voltage supplied to the second gate of the OS transistor 810 is given by external control; however, another configuration may be used. For example, a voltage for controlling the threshold voltage may be generated based on a signal supplied to the input terminal IN and supplied to the second gate of the OS transistor 810. An example of a circuit configuration that can realize this configuration is illustrated in FIG.

図71(A)では、図68(B)で示した回路構成において、入力端子INとOSトランジスタ810の第2ゲートとの間にCMOSインバータ860を有する。CMOSインバータ860の入力端子は、入力端子INに接続さえる。CMOSインバータ860の出力端子は、OSトランジスタ810の第2ゲートに接続される。  In FIG. 71A, in the circuit configuration shown in FIG. 68B, a CMOS inverter 860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 810. The input terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the input terminal IN. The output terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the second gate of the OS transistor 810.

図71(A)の動作について、図71(B)のタイミングチャートを用いて説明する。図71(B)のタイミングチャートでは、入力端子INの信号波形、出力端子OUTの信号波形、CMOSインバータ860の出力波形IN_B、およびOSトランジスタ810(FET810)の閾値電圧の変化について示している。  The operation in FIG. 71A is described with reference to a timing chart in FIG. The timing chart in FIG. 71B shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the output waveform IN_B of the CMOS inverter 860, and the threshold voltage of the OS transistor 810 (FET 810).

入力端子INに与える信号の論理を反転した信号である出力波形IN_Bは、OSトランジスタ810の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図68(A)乃至(C)で説明したように、OSトランジスタ810の閾値電圧を制御できる。例えば、図71(B)における時刻T4となるとき、入力端子INに与える信号がハイレベルでOSトランジスタ820はオン状態となる。このとき、出力波形IN_Bはローレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧を急峻に下降させることができる。  An output waveform IN_B that is a signal obtained by inverting the logic of a signal applied to the input terminal IN can be a signal for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810. Therefore, as described in FIGS. 68A to 68C, the threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled. For example, at time T4 in FIG. 71B, a signal supplied to the input terminal IN is high and the OS transistor 820 is turned on. At this time, the output waveform IN_B is at a low level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.

また図71(B)における時刻T5となるとき、入力端子INに与える信号がローレベルでOSトランジスタ820はオフ状態となる。このとき、出力波形IN_Bはハイレベルとなる。そのため、OSトランジスタ810は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子OUTの電圧を急峻に上昇させることができる。  At time T5 in FIG. 71B, the signal applied to the input terminal IN is low and the OS transistor 820 is turned off. At this time, the output waveform IN_B is at a high level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows, and the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased.

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

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

(実施の形態5)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したOSトランジスタを有する複数の回路を有する半導体装置の一例について、図72乃至図78を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example of a semiconductor device including a plurality of circuits each including the OS transistor described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

図72(A)は、半導体装置900のブロック図である。半導体装置900は、電源回路901、回路902、電圧生成回路903、回路904、電圧生成回路905および回路906を有する。  FIG. 72A is a block diagram of the semiconductor device 900. FIG. The semiconductor device 900 includes a power supply circuit 901, a circuit 902, a voltage generation circuit 903, a circuit 904, a voltage generation circuit 905, and a circuit 906.

電源回路901は、基準となる電圧VORGを生成する回路である。電圧VORGは、単一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧VORGは、半導体装置900の外部から与えられる電圧Vを基に生成することができる。半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に電圧VORGを生成できる。そのため半導体装置900は、外部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。The power supply circuit 901 is a circuit that generates a reference voltage V ORG . The voltage V ORG may be a plurality of voltages instead of a single voltage. The voltage V ORG can be generated based on the voltage V 0 given from the outside of the semiconductor device 900. The semiconductor device 900 can generate the voltage V ORG based on a single power supply voltage given from the outside. Therefore, the semiconductor device 900 can operate without applying a plurality of power supply voltages from the outside.

回路902、904および906は、異なる電源電圧で動作する回路である。例えば回路902の電源電圧は、電圧VORGと電圧VSS(VORG>VSS)とによって印加される電圧である。また、例えば回路904の電源電圧は、電圧VPOGと電圧VSS(VPOG>VORG)とによって印加される電圧である。また、例えば回路906の電源電圧は、電圧VORGと電圧VNEG(VORG>VSS>VNEG)とによって印加される電圧である。なお電圧VSSは、グラウンド(GND)と等電位とすれば、電源回路901で生成する電圧の種類を削減できる。The circuits 902, 904, and 906 are circuits that operate with different power supply voltages. For example, the power supply voltage of the circuit 902 is a voltage applied by the voltage V ORG and the voltage V SS (V ORG > V SS ). For example, the power supply voltage of the circuit 904 is a voltage applied by the voltage V POG and the voltage V SS (V POG > V ORG ). For example, the power supply voltage of the circuit 906 is a voltage applied by the voltage V ORG and the voltage V NEG (V ORG > V SS > V NEG ). Note that if the voltage VSS is set to the same potential as the ground (GND), the types of voltages generated by the power supply circuit 901 can be reduced.

電圧生成回路903は、電圧VPOGを生成する回路である。電圧生成回路903は、電源回路901から与えられる電圧VORGを基に電圧VPOGを生成できる。そのため、回路904を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。The voltage generation circuit 903 is a circuit that generates the voltage V POG . The voltage generation circuit 903 can generate the voltage V POG based on the voltage V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 904 can operate based on a single power supply voltage supplied from the outside.

電圧生成回路905は、電圧VNEGを生成する回路である。電圧生成回路905は、電源回路901から与えられる電圧VORGを基に電圧VNEGを生成できる。そのため、回路906を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。The voltage generation circuit 905 is a circuit that generates a voltage V NEG . The voltage generation circuit 905 can generate the voltage V NEG based on the voltage V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 906 can operate based on a single power supply voltage given from the outside.

図72(B)は電圧VPOGで動作する回路904の一例、図72(C)は回路904を動作させるための信号の波形の一例である。FIG. 72B illustrates an example of a circuit 904 that operates at the voltage V POG , and FIG. 72C illustrates an example of a waveform of a signal for operating the circuit 904.

図72(B)では、トランジスタ911を示している。トランジスタ911のゲートに与える信号は、例えば、電圧VPOGと電圧VSSを基に生成される。当該信号は、トランジスタ911を導通状態とする動作時に電圧VPOG、非導通状態とする動作時に電圧VSSとする。電圧VPOGは、図72(C)に図示するように、電圧VORGより大きい。そのため、トランジスタ911は、ソース(S)とドレイン(D)との間を導通状態とする動作を、より確実に行うことができる。その結果、回路904は、誤動作が低減された回路とすることができる。In FIG. 72B, the transistor 911 is illustrated. Signal applied to the gate of the transistor 911 is generated, for example, based on the voltage V POG and voltage V SS. The signal is a voltage V SS during operation of the conductive state of transistor 911 voltage V POG, during operation of the non-conductive state. The voltage V POG is higher than the voltage V ORG as illustrated in FIG. Therefore, the transistor 911 can more reliably perform an operation of bringing the source (S) and the drain (D) into conduction. As a result, the circuit 904 can be a circuit in which malfunctions are reduced.

図72(D)は電圧VNEGで動作する回路906の一例、図72(E)は回路906を動作させるための信号の波形の一例である。 72D illustrates an example of a circuit 906 that operates at the voltage V NEG , and FIG. 72E illustrates an example of a waveform of a signal for operating the circuit 906.

図72(D)では、バックゲートを有するトランジスタ912を示している。トランジスタ912のゲートに与える信号は、例えば、電圧VORGと電圧VSSを基にして生成される。当該信号は、トランジスタ911を導通状態とする動作時に電圧VORG、非導通状態とする動作時に電圧VSSとする。また、トランジスタ912のバックゲートに与える電圧は、電圧VNEGを基に生成される。電圧VNEGは、図72(E)に図示するように、電圧VSS(GND)より小さい。そのため、トランジスタ912の閾値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ912をより確実に非導通状態とすることができ、ソース(S)とドレイン(D)との間を流れる電流を小さくできる。その結果、回路906は、誤動作が低減され、且つ低消費電力化が図られた回路とすることができる。FIG. 72D illustrates a transistor 912 having a back gate. Signal applied to the gate of the transistor 912, for example, generated based on the voltage V ORG and the voltage V SS. The signal voltage V ORG during operation of the conductive state of transistor 911, a voltage V SS during operation of a non-conductive state. Further, the voltage applied to the back gate of the transistor 912 is generated based on the voltage V NEG . The voltage V NEG is smaller than the voltage V SS (GND) as illustrated in FIG. Therefore, the threshold voltage of the transistor 912 can be controlled to shift positively. Therefore, the transistor 912 can be more reliably turned off, and the current flowing between the source (S) and the drain (D) can be reduced. As a result, the circuit 906 can be a circuit in which malfunctions are reduced and power consumption is reduced.

なお電圧VNEGは、トランジスタ912のバックゲートに直接与える構成としてもよい。あるいは、電圧VORGと電圧VNEGを基に、トランジスタ912のゲートに与える信号を生成し、当該信号をトランジスタ912のバックゲートに与える構成としてもよい。Note that the voltage V NEG may be directly applied to the back gate of the transistor 912. Alternatively, a signal to be supplied to the gate of the transistor 912 may be generated based on the voltage V ORG and the voltage V NEG and the signal may be supplied to the back gate of the transistor 912.

また図73(A)、(B)には、図72(D)、(E)の変形例を示す。  73 (A) and 73 (B) show modified examples of FIGS. 72 (D) and 72 (E).

図73(A)に示す回路図では、電圧生成回路905と、回路906と、の間に制御回路921によって導通状態が制御できるトランジスタ922を示す。トランジスタ922は、nチャネル型のOSトランジスタとする。制御回路921が出力する制御信号SBGは、トランジスタ922の導通状態を制御する信号である。また回路906が有するトランジスタ912A、912Bは、トランジスタ922と同じOSトランジスタである。In the circuit diagram illustrated in FIG. 73A, a transistor 922 whose conduction state can be controlled by the control circuit 921 is illustrated between the voltage generation circuit 905 and the circuit 906. The transistor 922 is an n-channel OS transistor. Control signal S BG control circuit 921 is output a signal for controlling the conduction state of the transistor 922. In addition, transistors 912A and 912B included in the circuit 906 are OS transistors which are the same as the transistor 922.

図73(B)のタイミングチャートには、制御信号SBGと、トランジスタ912A、912Bのバックゲートの電位の状態をノードNBGの電位の変化で示す。制御信号SBGがハイレベルのときにトランジスタ922が導通状態となり、ノードNBGが電圧VNEGとなる。その後、制御信号SBGがローレベルのときにノードNBGが電気的にフローティングとなる。トランジスタ922は、OSトランジスタであるため、オフ電流が小さい。そのため、ノードNBGが電気的にフローティングであっても、一旦与えた電圧VNEGを保持することができる。The timing chart of FIG. 73 (B) includes a control signal S BG, transistor 912A, indicated by a change in the potential of the state nodes N BG back gate potential of 912B. Control signal S BG is transistor 922 in a conducting state at the high level, the node N BG becomes voltage V NEG. Thereafter, when the control signal SBG is at a low level, the node NBG becomes electrically floating. Since the transistor 922 is an OS transistor, the off-state current is small. Therefore, even if the node NBG is electrically floating, the voltage V NEG once applied can be held.

また図74(A)には、上述した電圧生成回路903に適用可能な回路構成の一例を示す。図74(A)に示す電圧生成回路903は、ダイオードD1乃至D5、キャパシタC1乃至C5、およびインバータINVを有する5段のチャージポンプである。クロック信号CLKは、キャパシタC1乃至C5に直接、あるいはインバータINVを介して与えられる。インバータINVの電源電圧を、電圧VORGと電圧VSSとによって印加される電圧とすると、クロック信号CLKによって、電圧VORGの5倍の正電圧に昇圧された電圧VPOGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至D5の順方向電圧は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧VPOGを得ることができる。FIG. 74A shows an example of a circuit configuration applicable to the voltage generation circuit 903 described above. A voltage generation circuit 903 illustrated in FIG. 74A is a five-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV. The clock signal CLK is supplied to the capacitors C1 to C5 directly or via the inverter INV. When the power supply voltage of the inverter INV is a voltage applied by the voltage V ORG and the voltage V SS , a voltage V POG that is boosted to a positive voltage five times the voltage V ORG can be obtained by the clock signal CLK. The forward voltage of the diodes D1 to D5 is 0V. In addition, a desired voltage V POG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.

また図74(B)には、上述した電圧生成回路905に適用可能な回路構成の一例を示す。図74(B)に示す電圧生成回路905は、ダイオードD1乃至D5、キャパシタC1乃至C5、およびインバータINVを有する4段のチャージポンプである。クロック信号CLKは、キャパシタC1乃至C5に直接、あるいはインバータINVを介して与えられる。インバータINVの電源電圧を、電圧VORGと電圧Vssとによって印加される電圧とすると、クロック信号CLKによって、グラウンド、すなわち電圧VSSから電圧VORGの4倍の負電圧に降圧された電圧VNEGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至D5の順方向電圧は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧VNEGを得ることができる。FIG. 74B shows an example of a circuit configuration applicable to the voltage generation circuit 905 described above. A voltage generation circuit 905 illustrated in FIG. 74B is a four-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV. The clock signal CLK is supplied to the capacitors C1 to C5 directly or via the inverter INV. The power supply voltage of the inverter INV, when the voltage applied by the voltage V ORG and the voltage Vss, the clock signal CLK, the ground, that is, the voltage V NEG stepped down from the voltage V SS to four times the negative voltage of the voltage V ORG Can be obtained. The forward voltage of the diodes D1 to D5 is 0V. Further, the desired voltage V NEG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.

なお上述した電圧生成回路903の回路構成は、図74(A)で示す回路図の構成に限らない。電圧生成回路903の変形例を図75(A)乃至(C)、図76(A)、(B)に示す。  Note that the circuit configuration of the voltage generation circuit 903 described above is not limited to the configuration of the circuit diagram illustrated in FIG. Modification examples of the voltage generation circuit 903 are illustrated in FIGS. 75A to 75C and FIGS. 76A and 76B.

図75(A)に示す電圧生成回路903Aは、トランジスタM1乃至M10、キャパシタC11乃至C14、およびインバータINV1を有する。クロック信号CLKは、トランジスタM1乃至M10のゲートに直接、あるいはインバータINV1を介して与えられる。クロック信号CLKによって、電圧VORGの4倍の正電圧に昇圧された電圧VPOGを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧VPOGを得ることができる。図75(A)に示す電圧生成回路903Aは、トランジスタM1乃至M10をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタC11乃至C14に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧VORGから電圧VPOGへの昇圧を図ることができる。また、上記のOSトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。A voltage generation circuit 903A illustrated in FIG. 75A includes transistors M1 to M10, capacitors C11 to C14, and an inverter INV1. The clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M1 to M10 or via the inverter INV1. A voltage V POG that is boosted to a positive voltage four times the voltage V ORG can be obtained by the clock signal CLK. Note that a desired voltage V POG can be obtained by changing the number of stages. A voltage generation circuit 903A illustrated in FIG. 75A can reduce off-state current by using the transistors M1 to M10 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C11 to C14. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.

また図75(B)に示す電圧生成回路903Bは、トランジスタM11乃至M14、キャパシタC15、C16、およびインバータINV2を有する。クロック信号CLKは、トランジスタM11乃至M14のゲートに直接、あるいはインバータINV2を介して与えられる。クロック信号CLKによって、電圧VORGの2倍の正電圧に昇圧された電圧VPOGを得ることができる。図75(B)に示す電圧生成回路903Bは、トランジスタM11乃至M14をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタC15、C16に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧VORGから電圧VPOGへの昇圧を図ることができる。また、上記のOSトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。A voltage generation circuit 903B illustrated in FIG. 75B includes transistors M11 to M14, capacitors C15 and C16, and an inverter INV2. The clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M11 to M14 or via the inverter INV2. With the clock signal CLK, it is possible to obtain a voltage V POG that is boosted to a positive voltage that is twice the voltage V ORG . A voltage generation circuit 903B illustrated in FIG. 75B can reduce off-state current by using the transistors M11 to M14 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C15 and C16. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.

また図75(C)に示す電圧生成回路903Cは、インダクタI11、トランジスタM15、ダイオードD6、およびキャパシタC17を有する。トランジスタM15は、制御信号ENによって、導通状態が制御される。制御信号ENによって、電圧VORGが昇圧された電圧VPOGを得ることができる。図75(C)に示す電圧生成回路903Cは、インダクタI11を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行うことができる。A voltage generation circuit 903C illustrated in FIG. 75C includes an inductor I11, a transistor M15, a diode D6, and a capacitor C17. The conduction state of the transistor M15 is controlled by the control signal EN. A voltage V POG obtained by boosting the voltage V ORG can be obtained by the control signal EN. Since the voltage generation circuit 903C illustrated in FIG. 75C uses the inductor I11 to increase the voltage, the voltage generation circuit 903C can increase the voltage with high conversion efficiency.

また図76(A)に示す電圧生成回路903Dは、図74(A)に示す電圧生成回路903のダイオードD1乃至D5をダイオード接続したトランジスタM16乃至M20に置き換えた構成に相当する。図76(A)に示す電圧生成回路903Dは、トランジスタM16乃至M20をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタC1乃至C5に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧VORGから電圧VPOGへの昇圧を図ることができる。また、上記のOSトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。A voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 76A corresponds to a structure in which the diodes D1 to D5 of the voltage generation circuit 903 illustrated in FIG. 74A are replaced with diode-connected transistors M16 to M20. A voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 76A can reduce off-state current by using the transistors M16 to M20 as OS transistors and suppress leakage of charges held in the capacitors C1 to C5. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.

また図76(B)に示す電圧生成回路903Eは、図76(A)に示す電圧生成回路903DのトランジスタM16乃至M20を、バックゲートを有するトランジスタM21乃至M25に置き換えた構成に相当する。図76(B)に示す電圧生成回路903Eは、バックゲートにゲートと同じ電圧を与えることができるため、トランジスタを流れる電流量を増やすことができる。そのため、効率的に電圧VORGから電圧VPOGへの昇圧を図ることができる。A voltage generation circuit 903E illustrated in FIG. 76B corresponds to a structure in which the transistors M16 to M20 of the voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 76A are replaced with transistors M21 to M25 having back gates. Since the voltage generation circuit 903E illustrated in FIG. 76B can supply the same voltage as the gate to the back gate, the amount of current flowing through the transistor can be increased. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG .

なお電圧生成回路903の変形例は、図74(B)に示した電圧生成回路905にも適用可能である。この場合の回路図の構成を図77(A)乃至(C)、図78(A)、(B)に示す。図77(A)に示す電圧生成回路905Aは、クロック信号CLKによって、電圧VSSから電圧VORGの3倍の負電圧に降圧された電圧VNEGを得ることができる。また図77(B)に示す電圧生成回路905Aは、クロック信号CLKによって、電圧VSSから電圧VORGの2倍の負電圧に降圧された電圧VNEGを得ることができる。Note that a modification of the voltage generation circuit 903 can also be applied to the voltage generation circuit 905 illustrated in FIG. A circuit diagram configuration in this case is shown in FIGS. 77A to 77C and FIGS. 78A and 78B. Voltage generating circuit 905A shown in FIG. 77 (A) is the clock signal CLK, and it is possible to obtain a voltage V NEG stepped down from the voltage V SS to 3 times the negative voltage of the voltage V ORG. The voltage generating circuit 905A shown in FIG. 77 (B) is the clock signal CLK, and it is possible to obtain a voltage V NEG stepped down from the voltage V SS to twice the negative voltage of the voltage V ORG.

図77(A)乃至(C)、図78(A)、(B)に示す電圧生成回路905A乃至905Eでは、図75(A)乃至(C)、図76(A)、(B)に示す電圧生成回路903A乃至903Eにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子の配置を変更した構成に相当する。図77(A)乃至(C)、図78(A)、(B)は、電圧生成回路905A乃至905Eと同様に、効率的に電圧VORGから電圧VNEGへの降圧を図ることができる。The voltage generation circuits 905A to 905E shown in FIGS. 77A to 77C, 78A and 78B are shown in FIGS. 75A to 75C, 76A and 76B, respectively. In the voltage generation circuits 903A to 903E, the voltage applied to each wiring is changed or the arrangement of elements is changed. 77A to 77C, 78A, and 78B, as with the voltage generation circuits 905A to 905E, can efficiently reduce the voltage V ORG to the voltage V NEG .

以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電圧を内部で生成することができる。そめため半導体装置は、外部から与える電源電圧の種類を削減できる。  As described above, in the structure of this embodiment mode, a voltage necessary for a circuit included in the semiconductor device can be generated internally. Therefore, the semiconductor device can reduce the type of power supply voltage applied from the outside.

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

(実施の形態6)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むCPUの一例について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of a CPU including a transistor according to one embodiment of the present invention and a semiconductor device such as the memory device described above will be described.

<CPUの構成>
図79に示す半導体装置400は、CPUコア401、パワーマネージメントユニット421および周辺回路422を有する。パワーマネージメントユニット421は、パワーコントローラ402、およびパワースイッチ403を有する。周辺回路422は、キャッシュメモリを有するキャッシュ404、バスインターフェース(BUS I/F)405、及びデバッグインターフェース(Debug I/F)406を有する。CPUコア401は、データバス423、制御装置407、PC(プログラムカウンタ)408、パイプラインレジスタ409、パイプラインレジスタ410、ALU(Arithmetic logic unit)411、及びレジスタファイル412を有する。CPUコア401と、キャッシュ404等の周辺回路422とのデータのやり取りは、データバス423を介して行われる。
<Configuration of CPU>
A semiconductor device 400 illustrated in FIG. 79 includes a CPU core 401, a power management unit 421, and a peripheral circuit 422. The power management unit 421 includes a power controller 402 and a power switch 403. The peripheral circuit 422 includes a cache 404 having a cache memory, a bus interface (BUS I / F) 405, and a debug interface (Debug I / F) 406. The CPU core 401 includes a data bus 423, a control device 407, a PC (program counter) 408, a pipeline register 409, a pipeline register 410, an ALU (Arithmic logic unit) 411, and a register file 412. Data exchange between the CPU core 401 and the peripheral circuit 422 such as the cache 404 is performed via the data bus 423.

半導体装置(セル)は、パワーコントローラ402、制御装置407をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置400を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置400を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置400を提供できる。  The semiconductor device (cell) can be applied to many logic circuits including the power controller 402 and the control device 407. In particular, the present invention can be applied to all logic circuits that can be configured using standard cells. As a result, a small semiconductor device 400 can be provided. In addition, the semiconductor device 400 capable of reducing power consumption can be provided. Further, the semiconductor device 400 capable of improving the operation speed can be provided. In addition, it is possible to provide the semiconductor device 400 capable of reducing fluctuations in the power supply voltage.

半導体装置(セル)に、pチャネル型Siトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、該半導体装置(セル)を半導体装置400に適用することで、小型の半導体装置400を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置400を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置400を提供できる。特に、Siトランジスタはpチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。  In the semiconductor device (cell), a p-channel Si transistor and a transistor including the oxide semiconductor described in the above embodiment (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region are used. By applying the semiconductor device (cell) to the semiconductor device 400, a small semiconductor device 400 can be provided. In addition, the semiconductor device 400 capable of reducing power consumption can be provided. Further, the semiconductor device 400 capable of improving the operation speed can be provided. In particular, manufacturing costs can be kept low by using only p-channel Si transistors.

制御装置407は、PC408、パイプラインレジスタ409、パイプラインレジスタ410、ALU411、レジスタファイル412、キャッシュ404、バスインターフェース405、デバッグインターフェース406、及びパワーコントローラ402の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。  The control device 407 controls the operations of the PC 408, pipeline register 409, pipeline register 410, ALU 411, register file 412, cache 404, bus interface 405, debug interface 406, and power controller 402, thereby providing an input. A function of decoding and executing an instruction included in a program such as an executed application.

ALU411は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。  The ALU 411 has a function of performing various arithmetic processes such as four arithmetic operations and logical operations.

キャッシュ404は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。PC408は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図79では図示していないが、キャッシュ404には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。  The cache 404 has a function of temporarily storing frequently used data. The PC 408 is a register having a function of storing an address of an instruction to be executed next. Although not shown in FIG. 79, the cache 404 is provided with a cache controller that controls the operation of the cache memory.

パイプラインレジスタ409は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。  The pipeline register 409 is a register having a function of temporarily storing instruction data.

レジスタファイル412は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはALU411の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。  The register file 412 includes a plurality of registers including general-purpose registers, and can store data read from the main memory, data obtained as a result of arithmetic processing of the ALU 411, and the like.

パイプラインレジスタ410は、ALU411の演算処理に利用するデータ、またはALU411の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。  The pipeline register 410 is a register having a function of temporarily storing data used for the arithmetic processing of the ALU 411 or data obtained as a result of the arithmetic processing of the ALU 411.

バスインターフェース405は、半導体装置400と半導体装置400の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース406は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置400に入力するための信号の経路としての機能を有する。  The bus interface 405 functions as a data path between the semiconductor device 400 and various devices outside the semiconductor device 400. The debug interface 406 has a function as a signal path for inputting an instruction for controlling debugging to the semiconductor device 400.

パワースイッチ403は、半導体装置400が有する、パワーコントローラ402以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ403によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ402はパワースイッチ403の動作を制御する機能を有する。  The power switch 403 has a function of controlling power supply voltage supply to various circuits of the semiconductor device 400 other than the power controller 402. The various circuits belong to several power domains, and the power switches 403 control whether the various circuits belonging to the same power domain are supplied with a power supply voltage. The power controller 402 has a function of controlling the operation of the power switch 403.

上記構成を有する半導体装置400は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。  The semiconductor device 400 having the above structure can perform power gating. The flow of power gating operation will be described with an example.

まず、CPUコア401が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ402のレジスタに設定する。次いで、CPUコア401からパワーコントローラ402へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置400内に含まれる各種レジスタとキャッシュ404が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置400が有するパワーコントローラ402以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ403により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ402に入力されることで、半導体装置400が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ402にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ404が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置407における命令の実行が再開される。  First, the CPU core 401 sets the timing at which the supply of the power supply voltage is stopped in the register of the power controller 402. Next, a command to start power gating is sent from the CPU core 401 to the power controller 402. Next, the various registers and the cache 404 included in the semiconductor device 400 start saving data. Next, supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 402 included in the semiconductor device 400 is stopped by the power switch 403. Next, when an interrupt signal is input to the power controller 402, supply of power supply voltage to various circuits included in the semiconductor device 400 is started. Note that a counter may be provided in the power controller 402 and the timing at which the supply of the power supply voltage is started may be determined using the counter without depending on the input of the interrupt signal. Next, the various registers and the cache 404 start data restoration. Next, the execution of the instruction in the control device 407 is resumed.

このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。  Such power gating can be performed in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor. Further, power supply can be stopped even in a short time. For this reason, power consumption can be reduced with fine granularity spatially or temporally.

パワーゲーティングを行う場合、CPUコア401や周辺回路422が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。  When power gating is performed, it is preferable that information held by the CPU core 401 and the peripheral circuit 422 can be saved in a short time. By doing so, the power can be turned on and off in a short time, and the power saving effect is increased.

CPUコア401や周辺回路422が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ)。また、SRAMセルがセル内でデータ退避できることが好ましい(バックアップ可能なSRAMセルと呼ぶ)。バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やSRAMセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。  In order to save the information held by the CPU core 401 and the peripheral circuit 422 in a short time, it is preferable that the flip-flop circuit can save data in the circuit (referred to as a flip-flop circuit that can be backed up). In addition, it is preferable that the SRAM cell can save data in the cell (referred to as a backupable SRAM cell). A flip-flop circuit or SRAM cell that can be backed up preferably includes a transistor including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region. As a result, when the transistor has a low off-state current, the flip-flop circuit and the SRAM cell that can be backed up can hold information without supplying power for a long time. In addition, when a transistor has a high switching speed, a backupable flip-flop circuit or an SRAM cell may be able to save and restore data in a short time.

バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図80を用いて説明する。  An example of a flip-flop circuit that can be backed up will be described with reference to FIG.

図80に示す半導体装置500は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置500は、第1の記憶回路501と、第2の記憶回路502と、第3の記憶回路503と、読み出し回路504と、を有する。半導体装置500には、電位V1と電位V2の電位差が、電源電圧として供給される。電位V1と電位V2は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位V1がローレベル、電位V2がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置500の構成例について説明するものとする。  A semiconductor device 500 illustrated in FIG. 80 is an example of a flip-flop circuit that can be backed up. The semiconductor device 500 includes a first memory circuit 501, a second memory circuit 502, a third memory circuit 503, and a reading circuit 504. A potential difference between the potential V1 and the potential V2 is supplied to the semiconductor device 500 as a power supply voltage. One of the potential V1 and the potential V2 is at a high level, and the other is at a low level. Hereinafter, a configuration example of the semiconductor device 500 will be described using a case where the potential V1 is at a low level and the potential V2 is at a high level as an example.

第1の記憶回路501は、半導体装置500に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Dが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置500に電源電圧が供給されている期間において、第1の記憶回路501からは、保持されているデータを含む信号Qが出力される。一方、第1の記憶回路501は、半導体装置500に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第1の記憶回路501は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。  The first memory circuit 501 has a function of holding data when a signal D including data is input in a period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 500. Then, in a period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 500, the first memory circuit 501 outputs a signal Q including retained data. On the other hand, the first memory circuit 501 cannot hold data during a period in which the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 500. That is, the first memory circuit 501 can be called a volatile memory circuit.

第2の記憶回路502は、第1の記憶回路501に保持されているデータを読み込んで記憶する(あるいは退避する)機能を有する。第3の記憶回路503は、第2の記憶回路502に保持されているデータを読み込記憶する(あるいは退避する)機能を有する。読み出し回路504は、第2の記憶回路502または第3の記憶回路503に保持されたデータを読み出して第1の記憶回路501に記憶する(あるいは復帰する)機能を有する。  The second memory circuit 502 has a function of reading and storing (or saving) data held in the first memory circuit 501. The third memory circuit 503 has a function of reading and storing (or saving) data held in the second memory circuit 502. The reading circuit 504 has a function of reading data stored in the second memory circuit 502 or the third memory circuit 503 and storing (or returning) the data in the first memory circuit 501.

特に、第3の記憶回路503は、半導体装置500に電源電圧が供給されてない期間においても、第2の記憶回路502に保持されているデータを読み込記憶する(あるいは退避する)機能を有する。  In particular, the third memory circuit 503 has a function of reading and storing (or saving) data held in the second memory circuit 502 even during a period in which the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 500. .

図80に示すように、第2の記憶回路502はトランジスタ512と容量素子519とを有する。第3の記憶回路503はトランジスタ513と、トランジスタ515と、容量素子520とを有する。読み出し回路504はトランジスタ510と、トランジスタ518と、トランジスタ509と、トランジスタ517と、を有する。  As illustrated in FIG. 80, the second memory circuit 502 includes a transistor 512 and a capacitor 519. The third memory circuit 503 includes a transistor 513, a transistor 515, and a capacitor 520. The reading circuit 504 includes a transistor 510, a transistor 518, a transistor 509, and a transistor 517.

トランジスタ512は、第1の記憶回路501に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子519に充放電する機能を有する。トランジスタ512は、第1の記憶回路501に保持されているデータに応じた電荷を容量素子519に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ512が、結晶性を有するシリコン(好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン)をチャネル形成領域に含むことが望ましい。  The transistor 512 has a function of charging and discharging the capacitor 519 with charges corresponding to data held in the first memory circuit 501. The transistor 512 is preferably capable of charging / discharging the capacitor 519 at high speed according to data stored in the first memory circuit 501. Specifically, the transistor 512 desirably includes crystalline silicon (preferably polycrystalline silicon, more preferably single crystal silicon) in a channel formation region.

トランジスタ513は、容量素子519に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ515は、トランジスタ513が導通状態であるときに、配線544の電位に応じた電荷を容量素子520に充放電する機能を有する。トランジスタ515は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ515が、酸化物半導体(好ましくはIn、Ga、及びZnを含む酸化物)をチャネル形成領域に含むことが望ましい。  The transistor 513 is selected to be conductive or nonconductive according to the charge held in the capacitor 519. The transistor 515 has a function of charging and discharging the capacitor 520 with a charge corresponding to the potential of the wiring 544 when the transistor 513 is in a conductive state. The transistor 515 preferably has extremely low off-state current. Specifically, the transistor 515 desirably includes an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region.

各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ512のソース及びドレインの一方は、第1の記憶回路501に接続されている。トランジスタ512のソース及びドレインの他方は、容量素子519の一方の電極、トランジスタ513のゲート、及びトランジスタ518のゲートに接続されている。容量素子519の他方の電極は、配線542に接続されている。トランジスタ513のソース及びドレインの一方は、配線544に接続されている。トランジスタ513のソース及びドレインの他方は、トランジスタ515のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ515のソース及びドレインの他方は、容量素子520の一方の電極、及びトランジスタ510のゲートに接続されている。容量素子520の他方の電極は、配線543に接続されている。トランジスタ510のソース及びドレインの一方は、配線541に接続されている。トランジスタ510のソース及びドレインの他方は、トランジスタ518のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ518のソース及びドレインの他方は、トランジスタ509のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ509のソース及びドレインの他方は、トランジスタ517のソース及びドレインの一方、及び第1の記憶回路501に接続されている。トランジスタ517のソース及びドレインの他方は、配線540に接続されている。また、図80においては、トランジスタ509のゲートは、トランジスタ517のゲートと接続されているが、トランジスタ509のゲートは、必ずしもトランジスタ517のゲートと接続されていなくてもよい。  Specifically, the connection relation of each element is described. One of a source and a drain of the transistor 512 is connected to the first memory circuit 501. The other of the source and the drain of the transistor 512 is connected to one electrode of the capacitor 519, the gate of the transistor 513, and the gate of the transistor 518. The other electrode of the capacitor 519 is connected to the wiring 542. One of a source and a drain of the transistor 513 is connected to the wiring 544. The other of the source and the drain of the transistor 513 is connected to one of the source and the drain of the transistor 515. The other of the source and the drain of the transistor 515 is connected to one electrode of the capacitor 520 and the gate of the transistor 510. The other electrode of the capacitor 520 is connected to the wiring 543. One of a source and a drain of the transistor 510 is connected to the wiring 541. The other of the source and the drain of the transistor 510 is connected to one of the source and the drain of the transistor 518. The other of the source and the drain of the transistor 518 is connected to one of the source and the drain of the transistor 509. The other of the source and the drain of the transistor 509 is connected to one of the source and the drain of the transistor 517 and the first memory circuit 501. The other of the source and the drain of the transistor 517 is connected to the wiring 540. In FIG. 80, the gate of the transistor 509 is connected to the gate of the transistor 517; however, the gate of the transistor 509 is not necessarily connected to the gate of the transistor 517.

トランジスタ515に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ515のオフ電流が小さいために、半導体装置500は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ515のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置500は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。  The transistor illustrated in the above embodiment can be used as the transistor 515. Since the off-state current of the transistor 515 is small, the semiconductor device 500 can hold information without supplying power for a long time. Since the switching characteristics of the transistor 515 are favorable, the semiconductor device 500 can perform high-speed backup and recovery.

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

(実施の形態7)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の一例について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of an imaging device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<撮像装置>
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
<Imaging device>
The imaging device according to one embodiment of the present invention is described below.

図81(A)は、本発明の一態様に係る撮像装置2200の例を示す平面図である。撮像装置2200は、画素部2210と、画素部2210を駆動するための周辺回路2260と、周辺回路2270、周辺回路2280と、周辺回路2290と、を有する。画素部2210は、p行q列(pおよびqは2以上の整数)のマトリクス状に配置された複数の画素2211を有する。周辺回路2260、周辺回路2270、周辺回路2280および周辺回路2290は、それぞれ複数の画素2211に接続し、複数の画素2211を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路2260、周辺回路2270、周辺回路2280および周辺回路2290などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路2260は周辺回路の一部といえる。  FIG. 81A is a plan view illustrating an example of an imaging device 2200 according to one embodiment of the present invention. The imaging device 2200 includes a pixel portion 2210, a peripheral circuit 2260 for driving the pixel portion 2210, a peripheral circuit 2270, a peripheral circuit 2280, and a peripheral circuit 2290. The pixel portion 2210 includes a plurality of pixels 2211 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more). The peripheral circuit 2260, the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, and the peripheral circuit 2290 are each connected to the plurality of pixels 2211 and have a function of supplying a signal for driving the plurality of pixels 2211. Note that in this specification and the like, the peripheral circuit 2260, the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, the peripheral circuit 2290, and the like are all referred to as “peripheral circuits” or “drive circuits” in some cases. For example, the peripheral circuit 2260 can be said to be part of the peripheral circuit.

また、撮像装置2200は、光源2291を有することが好ましい。光源2291は、検出光P1を放射することができる。  In addition, the imaging device 2200 preferably includes a light source 2291. The light source 2291 can emit the detection light P1.

また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の1つを有する。また、周辺回路は、画素部2210を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路の一部または全部にICチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路2260、周辺回路2270、周辺回路2280および周辺回路2290のいずれか一以上を省略してもよい。  The peripheral circuit includes at least one of a logic circuit, a switch, a buffer, an amplifier circuit, and a conversion circuit. The peripheral circuit may be formed over a substrate over which the pixel portion 2210 is formed. Further, a semiconductor device such as an IC chip may be used for part or all of the peripheral circuit. Note that one or more of the peripheral circuit 2260, the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, and the peripheral circuit 2290 may be omitted from the peripheral circuit.

また、図81(B)に示すように、撮像装置2200が有する画素部2210において、画素2211を傾けて配置してもよい。画素2211を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔(ピッチ)を短くすることができる。これにより、撮像装置2200における撮像の品質をより高めることができる。  In addition, as illustrated in FIG. 81B, in the pixel portion 2210 included in the imaging device 2200, the pixel 2211 may be inclined. By arranging the pixels 2211 to be inclined, the pixel interval (pitch) in the row direction and the column direction can be shortened. Thereby, the imaging quality in the imaging device 2200 can be further improved.

<画素の構成例1>
撮像装置2200が有する1つの画素2211を複数の副画素2212で構成し、それぞれの副画素2212に特定の波長域の光を透過するフィルタ(カラーフィルタ)を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
<Pixel Configuration Example 1>
One pixel 2211 included in the imaging device 2200 is configured by a plurality of sub-pixels 2212, and a color image display is realized by combining each sub-pixel 2212 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength range. Information can be acquired.

図82(A)は、カラー画像を取得するための画素2211の一例を示す平面図である。図82(A)に示す画素2211は、赤(R)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212(以下、「副画素2212R」ともいう)、緑(G)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212(以下、「副画素2212G」ともいう)および青(B)の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212(以下、「副画素2212B」ともいう)を有する。副画素2212は、フォトセンサとして機能させることができる。  FIG. 82A is a plan view illustrating an example of a pixel 2211 for acquiring a color image. A pixel 2211 illustrated in FIG. 82A includes a sub-pixel 2212 (hereinafter, also referred to as “sub-pixel 2212R”) provided with a color filter that transmits light in the red (R) wavelength region, and a green (G) wavelength. A sub-pixel 2212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 2212G”) provided with a color filter that transmits light in the region and a sub-pixel 2212 (hereinafter referred to as “color filter” that transmits light in the blue (B) wavelength region). , Also referred to as “sub-pixel 2212B”. The sub-pixel 2212 can function as a photosensor.

副画素2212(副画素2212R、副画素2212G、および副画素2212B)は、配線2231、配線2247、配線2248、配線2249、配線2250と電気的に接続される。また、副画素2212R、副画素2212G、および副画素2212Bは、それぞれが独立した配線2253に接続している。また、本明細書等において、例えばn行目の画素2211に接続された配線2248および配線2249を、それぞれ配線2248[n]および配線2249[n]と記載する。また、例えばm列目の画素2211に接続された配線2253を、配線2253[m]と記載する。なお、図82(A)において、m列目の画素2211が有する副画素2212Rに接続する配線2253を配線2253[m]R、副画素2212Gに接続する配線2253を配線2253[m]G、および副画素2212Bに接続する配線2253を配線2253[m]Bと記載している。副画素2212は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。  The sub-pixel 2212 (the sub-pixel 2212R, the sub-pixel 2212G, and the sub-pixel 2212B) is electrically connected to the wiring 2231, the wiring 2247, the wiring 2248, the wiring 2249, and the wiring 2250. Further, the sub-pixel 2212R, the sub-pixel 2212G, and the sub-pixel 2212B are each connected to an independent wiring 2253. Further, in this specification and the like, for example, the wiring 2248 and the wiring 2249 connected to the pixel 2211 in the n-th row are referred to as a wiring 2248 [n] and a wiring 2249 [n], respectively. For example, the wiring 2253 connected to the pixel 2211 in the m-th column is referred to as a wiring 2253 [m]. Note that in FIG. 82A, the wiring 2253 connected to the subpixel 2212R included in the pixel 2211 in the m-th column is the wiring 2253 [m] R, the wiring 2253 connected to the subpixel 2212G is the wiring 2253 [m] G, and A wiring 2253 connected to the subpixel 2212B is referred to as a wiring 2253 [m] B. The sub-pixel 2212 is electrically connected to the peripheral circuit through the wiring.

また、撮像装置2200は、隣接する画素2211の、同じ波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図82(B)に、n行(nは1以上p以下の整数)m列(mは1以上q以下の整数)に配置された画素2211が有する副画素2212と、該画素2211に隣接するn+1行m列に配置された画素2211が有する副画素2212の接続例を示す。図82(B)において、n行m列に配置された副画素2212Rと、n+1行m列に配置された副画素2212Rがスイッチ2201を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素2212Gと、n+1行m列に配置された副画素2212Gがスイッチ2202を介して接続されている。また、n行m列に配置された副画素2212Bと、n+1行m列に配置された副画素2212Bがスイッチ2203を介して接続されている。  In addition, the imaging device 2200 has a configuration in which subpixels 2212 provided with color filters that transmit light in the same wavelength region of adjacent pixels 2211 are electrically connected to each other via a switch. 82B, the sub-pixel 2212 included in the pixel 2211 arranged in n rows (n is an integer of 1 to p) and m columns (m is an integer of 1 to q) is adjacent to the pixel 2211. A connection example of the sub-pixel 2212 included in the pixel 2211 arranged in n + 1 rows and m columns is shown. 82B, a subpixel 2212R arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212R arranged in n + 1 rows and m columns are connected through a switch 2201. Further, a subpixel 2212G arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212G arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 2202. Further, a subpixel 2212B arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212B arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 2203.

なお、副画素2212に用いるカラーフィルタは、赤(R)、緑(G)、青(B)に限定されず、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。1つの画素2211に3種類の異なる波長域の光を検出する副画素2212を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。  Note that the color filter used for the sub-pixel 2212 is not limited to red (R), green (G), and blue (B), and transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, respectively. A color filter may be used. A full-color image can be acquired by providing the sub-pixel 2212 that detects light of three different wavelength ranges in one pixel 2211.

または、それぞれ赤(R)、緑(G)および青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212に加えて、黄(Y)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212を有する画素2211を用いてもよい。または、それぞれシアン(C)、黄(Y)およびマゼンダ(M)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212に加えて、青(B)の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素2212を有する画素2211を用いてもよい。1つの画素2211に4種類の異なる波長域の光を検出する副画素2212を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。  Alternatively, in addition to the sub-pixel 2212 provided with a color filter that transmits red (R), green (G), and blue (B) light, a color filter that transmits yellow (Y) light is provided. A pixel 2211 including a sub-pixel 2212 may be used. Alternatively, in addition to the sub-pixel 2212 provided with a color filter that transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, a color filter that transmits blue (B) light is provided. A pixel 2211 including a sub-pixel 2212 may be used. By providing the sub-pixel 2212 for detecting light of four types of different wavelength ranges in one pixel 2211, the color reproducibility of the acquired image can be further improved.

また、例えば、図82(A)において、赤の波長域の光を検出する副画素2212、緑の波長域の光を検出する副画素2212、および青の波長域の光を検出する副画素2212の画素数比(または受光面積比)は、1:1:1でなくても構わない。例えば、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:2:1とするBayer配列としてもよい。または、画素数比(受光面積比)を赤:緑:青=1:6:1としてもよい。  For example, in FIG. 82A, the sub-pixel 2212 that detects light in the red wavelength region, the sub-pixel 2212 that detects light in the green wavelength region, and the sub-pixel 2212 that detects light in the blue wavelength region. The pixel number ratio (or the light receiving area ratio) may not be 1: 1: 1. For example, a Bayer array in which the pixel number ratio (light receiving area ratio) is red: green: blue = 1: 2: 1 may be used. Alternatively, the pixel number ratio (light receiving area ratio) may be red: green: blue = 1: 6: 1.

なお、画素2211に設ける副画素2212は1つでもよいが、2つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域の光を検出する副画素2212を2つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置2200の信頼性を高めることができる。  Note that the number of subpixels 2212 provided in the pixel 2211 may be one, but two or more are preferable. For example, by providing two or more subpixels 2212 that detect light in the same wavelength region, redundancy can be increased and the reliability of the imaging device 2200 can be increased.

また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するIR(IR:Infrared)フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置2200を実現することができる。  In addition, by using an IR (IR: Infrared) filter that absorbs or reflects visible light and transmits infrared light, an imaging device 2200 that detects infrared light can be realized.

また、ND(ND:Neutral Density)フィルタ(減光フィルタ)を用いることで、光電変換素子(受光素子)に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるNDフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。  Further, by using an ND (ND: Neutral Density) filter (a neutral density filter), it is possible to prevent output saturation that occurs when a large amount of light enters the photoelectric conversion element (light receiving element). By using a combination of ND filters having different light reduction amounts, the dynamic range of the imaging apparatus can be increased.

また、前述したフィルタ以外に、画素2211にレンズを設けてもよい。ここで、図83の断面図を用いて、画素2211、フィルタ2254、レンズ2255の配置例を説明する。レンズ2255を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図83(A)に示すように、画素2211に形成したレンズ2255、フィルタ2254(フィルタ2254R、フィルタ2254Gおよびフィルタ2254B)、および画素回路2230等を通して光2256を光電変換素子2220に入射させる構造とすることができる。  In addition to the above-described filter, a lens may be provided in the pixel 2211. Here, an arrangement example of the pixel 2211, the filter 2254, and the lens 2255 will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. By providing the lens 2255, the photoelectric conversion element can efficiently receive incident light. Specifically, as illustrated in FIG. 83A, light 2256 is input to the photoelectric conversion element 2220 through the lens 2255, the filter 2254 (the filter 2254R, the filter 2254G, and the filter 2254B) formed in the pixel 2211, the pixel circuit 2230, and the like. It can be set as the structure made to enter.

ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光2256の一部が配線2257の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図83(B)に示すように光電変換素子2220側にレンズ2255およびフィルタ2254を配置して、光電変換素子2220が光2256を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子2220側から光2256を光電変換素子2220に入射させることで、検出感度の高い撮像装置2200を提供することができる。  However, part of the light 2256 indicated by the arrow may be blocked by part of the wiring 2257 as shown in the region surrounded by the alternate long and short dash line. Therefore, a structure in which a lens 2255 and a filter 2254 are provided on the photoelectric conversion element 2220 side so that the photoelectric conversion element 2220 efficiently receives light 2256 as illustrated in FIG. 83B is preferable. By making the light 2256 enter the photoelectric conversion element 2220 from the photoelectric conversion element 2220 side, the imaging device 2200 with high detection sensitivity can be provided.

図83に示す光電変換素子2220として、pn型接合またはpin型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。  As the photoelectric conversion element 2220 illustrated in FIG. 83, a photoelectric conversion element in which a pn-type junction or a pin-type junction is formed may be used.

また、光電変換素子2220を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。  Alternatively, the photoelectric conversion element 2220 may be formed using a substance that has a function of generating charge by absorbing radiation. Examples of the substance having a function of absorbing radiation and generating a charge include selenium, lead iodide, mercury iodide, gallium arsenide, cadmium telluride, and cadmium zinc alloy.

例えば、光電変換素子2220にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、X線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子2220を実現できる。  For example, when selenium is used for the photoelectric conversion element 2220, a photoelectric conversion element 2220 having a light absorption coefficient over a wide wavelength range such as X-rays and gamma rays in addition to visible light, ultraviolet light, and infrared light can be realized.

ここで、撮像装置2200が有する1つの画素2211は、図82に示す副画素2212に加えて、第1のフィルタを有する副画素2212を有してもよい。  Here, one pixel 2211 included in the imaging device 2200 may include a sub-pixel 2212 including a first filter in addition to the sub-pixel 2212 illustrated in FIG.

<画素の構成例2>
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。各トランジスタは上記実施の形態に示すものと同様のトランジスタを用いることができる。
<Pixel Configuration Example 2>
Hereinafter, an example in which a pixel is formed using a transistor including silicon and a transistor including an oxide semiconductor will be described. As each transistor, a transistor similar to that described in the above embodiment can be used.

図84は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図84に示す撮像装置は、シリコン基板2300に設けられたシリコンを用いたトランジスタ2351、トランジスタ2351上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ2352およびトランジスタ2353、ならびにシリコン基板2300に設けられたフォトダイオード2360を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード2360は、種々のプラグ2370および配線2371と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード2360のアノード2361は、低抵抗領域2363を介してプラグ2370と電気的に接続を有する。  FIG. 84 is a cross-sectional view of elements constituting the imaging device. The imaging device illustrated in FIG. 84 is provided on a transistor 2351 using silicon provided on a silicon substrate 2300, a transistor 2352 and a transistor 2353 using oxide semiconductor layers stacked over the transistor 2351, and a silicon substrate 2300. Photo diode 2360. Each transistor and photodiode 2360 is electrically connected to various plugs 2370 and wirings 2371. The anode 2361 of the photodiode 2360 is electrically connected to the plug 2370 through the low resistance region 2363.

また撮像装置は、シリコン基板2300に設けられたトランジスタ2351およびフォトダイオード2360を有する層2310と、層2310と接して設けられ、配線2371を有する層2320と、層2320と接して設けられ、トランジスタ2352およびトランジスタ2353を有する層2330と、層2330と接して設けられ、配線2372および配線2373を有する層2340を備えている。  In addition, the imaging device is provided in contact with the layer 2310 including the transistor 2351 and the photodiode 2360 provided over the silicon substrate 2300, the layer 2320 including the wiring 2371, the layer 2320 including the wiring 2371, and the transistor 2352. A layer 2330 including a transistor 2353 and a layer 2340 provided in contact with the layer 2330 and including a wiring 2372 and a wiring 2373.

なお図84の断面図の一例では、シリコン基板2300において、トランジスタ2351が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード2360の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード2360の受光面をトランジスタ2351が形成された面と同じとすることもできる。  Note that in the example of the cross-sectional view of FIG. 84, the silicon substrate 2300 has a light receiving surface of the photodiode 2360 on the surface opposite to the surface on which the transistor 2351 is formed. With this configuration, an optical path can be secured without being affected by various transistors and wirings. Therefore, a pixel with a high aperture ratio can be formed. Note that the light-receiving surface of the photodiode 2360 can be the same as the surface over which the transistor 2351 is formed.

なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層2310を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層2310を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。  Note that in the case where a pixel is formed using only a transistor including an oxide semiconductor, the layer 2310 may be a layer including a transistor including an oxide semiconductor. Alternatively, the layer 2310 may be omitted, and the pixel may be formed using only a transistor including an oxide semiconductor.

なお、シリコン基板2300は、SOI基板であってもよい。また、シリコン基板2300に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。  Note that the silicon substrate 2300 may be an SOI substrate. Further, instead of the silicon substrate 2300, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor substrate can be used.

ここで、トランジスタ2351およびフォトダイオード2360を有する層2310と、トランジスタ2352およびトランジスタ2353を有する層2330と、の間には絶縁体2380が設けられる。ただし、絶縁体2380の位置は限定されない。また、絶縁体2380の下に絶縁体2379が設けられ、絶縁体2380の上に絶縁体2381が設けられる。  Here, an insulator 2380 is provided between the layer 2310 including the transistor 2351 and the photodiode 2360 and the layer 2330 including the transistor 2352 and the transistor 2353. However, the position of the insulator 2380 is not limited. An insulator 2379 is provided below the insulator 2380, and an insulator 2381 is provided on the insulator 2380.

絶縁体2379乃至絶縁体2380に設けられた開口に、導電体2390a乃至導電体2390eが設けられている。導電体2390a、導電体2390bおよび導電体2390eは、プラグおよび配線として機能する。また、導電体2390cは、トランジスタ2353のバックゲートとして機能する。また、導電体2390dは、トランジスタ2352のバックゲートとして機能する。  Conductors 2390a to 2390e are provided in openings provided in the insulators 2379 to 2380. The conductor 2390a, the conductor 2390b, and the conductor 2390e function as a plug and a wiring. The conductor 2390c functions as a back gate of the transistor 2353. The conductor 2390d functions as a back gate of the transistor 2352.

トランジスタ2351のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ2351の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ2352およびトランジスタ2353などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ2352およびトランジスタ2353などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体2380を設けることが好ましい。絶縁体2380より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ2351の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体2380より下層から、絶縁体2380より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ2352およびトランジスタ2353などの信頼性を向上させることができる。さらに、導電体2390a、導電体2390bおよび導電体2390eが形成されることにより、絶縁体2380に形成されているビアホールを通じて上層に水素が拡散することも抑制できるため、トランジスタ2352およびトランジスタ2353などの信頼性を向上させることができる。  Hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the channel formation region of the transistor 2351 has an effect of terminating dangling bonds of silicon and improving the reliability of the transistor 2351. On the other hand, hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor. Therefore, the reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like may be reduced. Therefore, in the case where a transistor including an oxide semiconductor is stacked over a transistor including a silicon-based semiconductor, an insulator 2380 having a function of blocking hydrogen is preferably provided therebetween. By confining hydrogen below the insulator 2380, the reliability of the transistor 2351 can be improved. Further, since hydrogen can be prevented from diffusing from the lower layer than the insulator 2380 to the upper layer from the insulator 2380, reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like can be improved. Further, since the conductor 2390a, the conductor 2390b, and the conductor 2390e are formed, hydrogen can be prevented from diffusing into an upper layer through the via hole formed in the insulator 2380, so that the reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like can be reduced. Can be improved.

また、図84の断面図において、層2310に設けるフォトダイオード2360と、層2330に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。  In the cross-sectional view in FIG. 84, the photodiode 2360 provided in the layer 2310 and the transistor provided in the layer 2330 can be formed to overlap with each other. Then, the integration degree of pixels can be increased. That is, the resolution of the imaging device can be increased.

また、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。  Further, a part or all of the imaging device may be curved. By curving the imaging device, field curvature and astigmatism can be reduced. Therefore, optical design of a lens or the like used in combination with the imaging device can be facilitated. For example, since the number of lenses for aberration correction can be reduced, it is possible to reduce the size and weight of an electronic device using an imaging device. In addition, the quality of the captured image can be improved.

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

(実施の形態8)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係る半導体ウエハ、チップおよび電子部品について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a semiconductor wafer, a chip, and an electronic component according to one embodiment of the present invention will be described.

<半導体ウエハ、チップ>
図85(A)は、ダイシング処理が行なわれる前の基板711の上面図を示している。基板711としては、例えば、半導体基板(「半導体ウエハ」ともいう。)を用いることができる。基板711上には、複数の回路領域712が設けられている。回路領域712には、本発明の一態様に係る半導体装置や、CPU、RFタグ、またはイメージセンサなどを設けることができる。
<Semiconductor wafer, chip>
FIG. 85A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed. As the substrate 711, for example, a semiconductor substrate (also referred to as a “semiconductor wafer”) can be used. A plurality of circuit regions 712 are provided on the substrate 711. In the circuit region 712, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a CPU, an RF tag, an image sensor, or the like can be provided.

複数の回路領域712は、それぞれが分離領域713に囲まれている。分離領域713と重なる位置に分離線(「ダイシングライン」ともいう。)714が設定される。分離線714に沿って基板711を切断することで、回路領域712を含むチップ715を基板711から切り出すことができる。図85(B)にチップ715の拡大図を示す。  Each of the plurality of circuit regions 712 is surrounded by the isolation region 713. A separation line (also referred to as “dicing line”) 714 is set at a position overlapping with the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, the chip 715 including the circuit region 712 can be cut out from the substrate 711. FIG. 85B shows an enlarged view of the chip 715.

また、分離領域713に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるESDを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域713に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。  Further, a conductive layer, a semiconductor layer, or the like may be provided in the separation region 713. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, ESD that may occur in the dicing process can be reduced, and a reduction in yield due to the dicing process can be prevented. In general, the dicing step is performed while supplying pure water having a specific resistance lowered by dissolving carbon dioxide gas or the like for the purpose of cooling the substrate, removing shavings, and preventing charging. By providing a conductive layer, a semiconductor layer, or the like in the separation region 713, the amount of pure water used can be reduced. Thus, the production cost of the semiconductor device can be reduced. In addition, the productivity of the semiconductor device can be increased.

<電子部品>
チップ715を用いた電子部品の一例について、図86を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
<Electronic parts>
An example of an electronic component using the chip 715 will be described with reference to FIG. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Electronic parts have a plurality of standards, names, and the like depending on the terminal take-out direction, the terminal shape, and the like.

電子部品は、組み立て工程(後工程)において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。  Electronic components are completed by combining the semiconductor device described in the above embodiment and components other than the semiconductor device in an assembly process (post-process).

図86(A)に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板711に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板711の裏面(半導体装置などが形成されていない面)を研削する「裏面研削工程」を行なう(ステップS721)。研削により基板711を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。  The post-process will be described with reference to the flowchart shown in FIG. After the semiconductor device or the like according to one embodiment of the present invention is formed over the substrate 711 in the previous step, a “back surface grinding step” of grinding the back surface (the surface where the semiconductor device or the like is not formed) of the substrate 711 is performed (step S721). . By reducing the thickness of the substrate 711 by grinding, the electronic component can be downsized.

次に、基板711を複数のチップ(チップ715)に分離する「ダイシング工程」を行う(ステップS722)。そして、分離したチップ715を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う(ステップS723)。ダイボンディング工程におけるチップ715とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ715を接合してもよい。  Next, a “dicing step” for separating the substrate 711 into a plurality of chips (chips 715) is performed (step S722). Then, a “die bonding step” is performed in which the separated chip 715 is bonded onto each lead frame (step S723). For the bonding of the chip 715 and the lead frame in the die bonding step, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. Note that the chip 715 may be bonded on the interposer substrate instead of the lead frame.

次いで、リードフレームのリードとチップ715上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う(ステップS724)。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。  Next, a “wire bonding process” is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip 715 are electrically connected with a thin metal wire (step S724). A silver wire, a gold wire, etc. can be used for a metal fine wire. For wire bonding, for example, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップ715は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程(モールド工程)」が施される(ステップS725)。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ715とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化(信頼性の低下)を低減することができる。  The chip 715 that has been wire bonded is subjected to a “sealing process (molding process)” that is sealed with an epoxy resin or the like (step S725). By performing the sealing process, the inside of the electronic component is filled with resin, the wire connecting the chip 715 and the lead can be protected from mechanical external force, and deterioration of characteristics due to moisture, dust, etc. (reliability Reduction) can be reduced.

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう(ステップS726)。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう(ステップS727)。  Next, a “lead plating process” for plating the leads of the lead frame is performed (step S726). The plating process prevents rusting of the lead, and soldering when mounted on a printed circuit board later can be performed more reliably. Next, a “molding process” for cutting and molding the lead is performed (step S727).

次いで、パッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す「マーキング工程」を行なう(ステップS728)。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」(ステップS729)を経て、電子部品が完成する。  Next, a “marking process” is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728). An electronic component is completed through an “inspection process” (step S729) for checking whether the external shape is good or not, and whether there is a malfunction.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図86(B)に示す。図86(B)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図86(B)に示す電子部品750は、リード755およびチップ715を有する。電子部品750は、チップ715を複数有していてもよい。  FIG. 86B is a schematic perspective view of the completed electronic component. FIG. 86B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An electronic component 750 illustrated in FIG. 86B includes a lead 755 and a chip 715. The electronic component 750 may have a plurality of chips 715.

図86(B)に示す電子部品750は、例えばプリント基板752に実装される。このような電子部品750が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板752上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板(実装基板754)が完成する。完成した実装基板754は、電子機器などに用いられる。  An electronic component 750 illustrated in FIG. 86B is mounted on a printed board 752, for example. A plurality of such electronic components 750 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 752 to complete a substrate (mounting substrate 754) on which the electronic components are mounted. The completed mounting board 754 is used for an electronic device or the like.

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

(実施の形態9)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, electronic devices using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described.

<電子機器>
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図87に示す。
<Electronic equipment>
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) Device). In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a video camera, a digital still camera, or the like, goggles Type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, multifunction printers, automated teller machines (ATMs), vending machines, etc. It is done. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図87(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体1901、表示部1903、マイクロフォン1905、スピーカー1906、操作キー1907等を有する。なお、図87(A)に示した携帯型ゲーム機は、1つの表示部1903を有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。例えば、複数の表示部を有する構成にしてもよい。また、表示部1903を操作するためのスタイラスを付属させてもよい。  FIG. 87A illustrates a portable game machine including a housing 1901, a display portion 1903, a microphone 1905, a speaker 1906, operation keys 1907, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 87A includes one display portion 1903, the number of display portions included in the portable game machine is not limited thereto. For example, a configuration having a plurality of display units may be employed. Further, a stylus for operating the display portion 1903 may be attached.

図87(B)は携帯データ端末であり、第1筐体1911、第2筐体1912、第1表示部1913、第2表示部1914、接続部1915、操作キー1916等を有する。第1表示部1913は第1筐体1911に設けられており、第2表示部1914は第2筐体1912に設けられている。そして、第1筐体1911と第2筐体1912とは、接続部1915により接続されており、第1筐体1911と第2筐体1912の間の角度は、接続部1915により変更が可能である。第1表示部1913における映像を、接続部1915における第1筐体1911と第2筐体1912との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部1913および第2表示部1914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。  FIG. 87B illustrates a portable data terminal, which includes a first housing 1911, a second housing 1912, a first display portion 1913, a second display portion 1914, a connection portion 1915, operation keys 1916, and the like. The first display portion 1913 is provided in the first housing 1911, and the second display portion 1914 is provided in the second housing 1912. The first casing 1911 and the second casing 1912 are connected by a connection portion 1915, and the angle between the first casing 1911 and the second casing 1912 can be changed by the connecting portion 1915. is there. It is good also as a structure which switches the image | video in the 1st display part 1913 according to the angle between the 1st housing | casing 1911 and the 2nd housing | casing 1912 in the connection part 1915. FIG. Further, a display device in which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 1913 and the second display portion 1914 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図87(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体1921、表示部1922、キーボード1923、ポインティングデバイス1924等を有する。  FIG. 87C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 1921, a display portion 1922, a keyboard 1923, a pointing device 1924, and the like.

図87(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体1931、冷蔵室用扉1932、冷凍室用扉1933等を有する。  FIG. 87D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 1931, a refrigerator door 1932, a refrigerator door 1933, and the like.

図87(E)はビデオカメラであり、第1筐体1941、第2筐体1942、表示部1943、操作キー1944、レンズ1945、接続部1946等を有する。操作キー1944およびレンズ1945は第1筐体1941に設けられており、表示部1943は第2筐体1942に設けられている。そして、第1筐体1941と第2筐体1942とは、接続部1946により接続されており、第1筐体1941と第2筐体1942の間の角度は、接続部1946により変更が可能である。表示部1943における映像を、接続部1946における第1筐体1941と第2筐体1942との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。  FIG. 87E illustrates a video camera, which includes a first housing 1941, a second housing 1942, a display portion 1943, operation keys 1944, a lens 1945, a connection portion 1946, and the like. The operation key 1944 and the lens 1945 are provided in the first housing 1941, and the display portion 1943 is provided in the second housing 1942. The first housing 1941 and the second housing 1942 are connected to each other by a connection portion 1946. The angle between the first housing 1941 and the second housing 1942 can be changed by the connection portion 1946. is there. The video on the display portion 1943 may be switched according to the angle between the first housing 1941 and the second housing 1942 in the connection portion 1946.

図87(F)は自動車であり、車体1951、車輪1952、ダッシュボード1953、ライト1954等を有する。  FIG. 87F illustrates an automobile, which includes a vehicle body 1951, wheels 1952, a dashboard 1953, lights 1954, and the like.

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

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

本実施例では、上記実施の形態に示す成膜方法を用いて成膜したIn−Ga−Zn酸化物膜(以下、IGZO膜と呼ぶ場合がある。)について観察した結果について説明する。  In this example, the results of observation of an In—Ga—Zn oxide film (hereinafter sometimes referred to as an IGZO film) formed using the film formation method described in the above embodiment will be described.

本実施例では、試料1として、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板にIGZO膜を、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)ターゲットを用いて成膜した。なお、試料1に用いたYSZ基板の表面の面方位は(111)である。IGZO膜の成膜は、酸素ガス30sccmを含む雰囲気にて圧力を0.4Paに制御し、基板温度を300℃、ターゲットにDC電源により出力1000W印加して行った。  In this example, as a sample 1, an IGZO film is formed on an yttria-stabilized zirconia (YSZ) substrate using an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1) target. Filmed. The surface orientation of the surface of the YSZ substrate used for sample 1 is (111). The IGZO film was formed by controlling the pressure to 0.4 Pa in an atmosphere containing oxygen gas 30 sccm, applying a substrate temperature of 300 ° C., and applying 1000 W output to the target from a DC power source.

作製した試料1について、IGZO膜の界面近傍のHAADF−STEM(High−angle annular Dark Field Scanning TEM)像の観察を行った。試料1のHAADF−STEM像を図88に示す。  About the produced sample 1, the HAADF-STEM (High-angle annular Dark Field Scanning TEM) image of the interface vicinity of the IGZO film | membrane was observed. A HAADF-STEM image of Sample 1 is shown in FIG.

図88に示すように、試料1ではYSZ基板の上に層状の結晶が形成されたIGZO膜が見られる。さらに、試料1のYSZ基板の面方位(111)とIGZO膜の格子定数が整合し、YSZ基板直上からCAAC−OSが形成されている。  As shown in FIG. 88, sample 1 shows an IGZO film in which layered crystals are formed on a YSZ substrate. Further, the plane orientation (111) of the YSZ substrate of Sample 1 matches the lattice constant of the IGZO film, and the CAAC-OS is formed from directly above the YSZ substrate.

このように、上記実施の形態に示す成膜方法を用いて、YSZ基板上にIGZO膜を成膜することにより、成膜初期からIn−Ga−Zn酸化物の結晶が形成していることが示された。これは、上記実施の形態に示すCAAC−OSの成膜モデルとよい一致を示している。  As described above, an In—Ga—Zn oxide crystal is formed from the initial stage of film formation by forming the IGZO film over the YSZ substrate by using the film formation method described in the above embodiment. Indicated. This is in good agreement with the CAAC-OS film formation model described in the above embodiment.

本実施例では、上記実施の形態に示す成膜方法を用いて成膜したIGZO膜についてXRDを用いて結晶性評価を行った結果について説明する。  In this example, the results of evaluation of crystallinity using XRD for an IGZO film formed using the film formation method described in the above embodiment will be described.

本実施例では、試料2A乃至試料2Dとして、石英基板にIn−Ga−Zn酸化物膜を、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1.2)ターゲットを用いて、膜厚100nm狙いで成膜した。IGZO膜の成膜は、圧力を0.4Paに制御し、基板温度を200℃、ターゲットにDC電源により出力200W印加して行った。成膜ガス流量は、試料2AはOガス30sccmとし、試料2BはOガス30sccm及びHOガス0.5sccmとし、試料2CはOガス30sccm及びHOガス1.5sccmとし、試料2DはOガス30sccm及びHOガス3.0sccmとした。ここで、成膜ガス中のHOガスの割合は、試料2Aは0体積%、試料2Bは1.67体積%、試料2Cは5.0体積%、試料2Dは10.0体積%となる。In this embodiment, as a sample 2A to a sample 2D, an In—Ga—Zn oxide film is formed over a quartz substrate, and an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1.2) A target was used to form a film with a thickness of 100 nm. The IGZO film was formed by controlling the pressure to 0.4 Pa, applying a substrate temperature of 200 ° C., and applying an output of 200 W to the target from a DC power source. The film forming gas flow rate is 30 sccm for O 2 gas for sample 2A, 30 sccm for O 2 gas and 0.5 sccm for H 2 O gas for sample 2B, 30 sccm for O 2 gas and 1.5 sccm for H 2 O gas for sample 2C, 2D was O 2 gas 30 sccm and H 2 O gas 3.0 sccm. Here, the ratio of the H 2 O gas in the film formation gas is 0% by volume for sample 2A, 1.67% by volume for sample 2B, 5.0% by volume for sample 2C, and 10.0% by volume for sample 2D. Become.

作製した試料2A乃至試料2Dについて、out−of−plane法によるXRD測定を行った。試料2A乃至試料2DのXRDスペクトルについて図89に示す。ここで、図89の横軸は回折角2θ[degree]をとり、縦軸はX線回折強度(任意単位)をとる。  The produced samples 2A to 2D were subjected to XRD measurement by an out-of-plane method. FIG. 89 shows the XRD spectra of Sample 2A to Sample 2D. Here, the horizontal axis of FIG. 89 represents the diffraction angle 2θ [degree], and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (arbitrary unit).

図89に示すように、試料2Aでは、2θ=30°近傍にピークが見られるが、試料2B乃至試料2Dでは、2θ=30°近傍にピークが見られない。2θ=30°近傍のピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されるものである。よって、試料2Aは、c軸配向性を有するCAAC−OSであることが分かる。なお、試料2A乃至試料2Dで2θ=20°近傍に見られるピークは石英基板に起因するものである。As shown in FIG. 89, the sample 2A has a peak in the vicinity of 2θ = 30 °, but the samples 2B to 2D have no peak in the vicinity of 2θ = 30 °. The peak around 2θ = 30 ° is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Thus, it can be seen that Sample 2A is a CAAC-OS having c-axis alignment. Note that the peak observed in the vicinity of 2θ = 20 ° in samples 2A to 2D is attributed to the quartz substrate.

このように、成膜ガスにHOが含まれていない試料2AではCAAC−OSが形成され、成膜ガスにHOが0.5sccm以上含まれる試料2B乃至試料2DではCAAC−OSが形成されなかった。このことから成膜ガスに含まれるHOがCAAC−OSの形成を阻害していることが予測される。As described above, the CAAC-OS is formed in the sample 2A in which the film formation gas does not contain H 2 O, and the CAAC-OS is formed in the samples 2B to 2D in which the film formation gas contains H 2 O of 0.5 sccm or more. Not formed. From this, it is predicted that H 2 O contained in the deposition gas inhibits formation of the CAAC-OS.

よって、IGZO膜の成膜ガス中にHOなどの不純物が含まれないことが好ましい。例えば、成膜ガス中に含まれるHOは0.5sccm未満であることが好ましい。Therefore, it is preferable that impurities such as H 2 O are not included in the gas for forming the IGZO film. For example, H 2 O contained in the film forming gas is preferably less than 0.5 sccm.

本実施例では、上記実施の形態に示す成膜方法を用いて成膜したIGZO膜について各種測定を行った結果について説明する。  In this example, results of various measurements performed on the IGZO film formed using the film formation method described in the above embodiment will be described.

本実施例では、試料3A乃至試料3Hとして、石英基板にIn−Ga−Zn酸化物膜を膜厚100nm狙いで成膜した。IGZO膜の成膜は、成膜ガスの圧力を0.4Paに制御し、基板温度を300℃、ターゲットにDC電源により出力200W印加して行った。試料3A乃至試料3Dは、成膜ガス流量を、Oガス30sccm(酸素100%)とし、試料3E乃至試料3Hは、成膜ガス流量を、Oガス10sccm及びArガス20sccm(酸素33%)とした。本実施例では、ターゲットとして、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)にSiOを含ませたターゲットを用いて成膜を行った。試料3A及び試料3EはSiOを含まないターゲット、試料3B及び試料3FはSiOを0.02重量%含むターゲット、試料3C及び試料3GはSiOを0.2重量%含むターゲット、試料3D及び試料3HはSiOを2重量%含むターゲット、をそれぞれ用いて成膜した。In this example, as the samples 3A to 3H, an In—Ga—Zn oxide film was formed over a quartz substrate with a thickness of 100 nm. The IGZO film was formed by controlling the pressure of the film forming gas to 0.4 Pa, applying a substrate temperature of 300 ° C., and applying 200 W output to the target from a DC power source. Samples 3A to 3D have a film formation gas flow rate of O 2 gas 30 sccm (oxygen 100%), and samples 3E to 3H have film formation gas flow rates of O 2 gas 10 sccm and Ar gas 20 sccm (oxygen 33%). It was. In this example, deposition was performed using a target in which SiO 2 was included in an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1) as a target. Target sample 3A and Sample 3E is free of SiO 2, the target sample 3B and sample. 3F containing SiO 2 0.02 wt%, the target sample 3C and sample 3G, including an SiO 2 0.2 wt%, and Sample 3D Sample 3H was formed using a target containing 2% by weight of SiO 2 .

作製した試料3A乃至試料3Hについて、out−of−plane法によるXRD測定を行った。試料3A乃至試料3DのXRDスペクトルについて図90(A)に、試料3E乃至試料3HのXRDスペクトルについて図90(B)に示す。ここで、図90(A)(B)の横軸は回折角2θ[degree]をとり、縦軸はX線回折強度(任意単位)をとる。  XRD measurement by the out-of-plane method was performed on the manufactured samples 3A to 3H. FIG. 90A shows the XRD spectra of Samples 3A to 3D, and FIG. 90B shows the XRD spectra of Samples 3E to 3H. 90A and 90B, the horizontal axis represents the diffraction angle 2θ [degree], and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (arbitrary unit).

図90(A)に示すように、試料3A乃至試料3Cでは2θ=30°近傍にピークが見られるが、試料3Dでは2θ=30°近傍にピークが見られない。2θ=30°近傍のピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されるものである。よって、試料3A乃至試料3Cは、c軸配向性を有するCAAC−OSであることが分かる。また、図90(B)に示すように、試料3Eでは2θ=30°近傍にピークが見られるが、試料3F乃至試料3Hでは2θ=30°近傍にピークが見られない。このように、成膜時の酸素流量が少ない場合、よりCAAC−OSの形成が阻害されやすくなる。なお、試料3A乃至試料3Hで2θ=20°近傍に見られるピークは石英基板に起因するものである。As shown in FIG. 90A, the sample 3A to sample 3C have a peak near 2θ = 30 °, but the sample 3D has no peak near 2θ = 30 °. The peak around 2θ = 30 ° is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Thus, it can be seen that Samples 3A to 3C are CAAC-OS having c-axis alignment. As shown in FIG. 90B, the sample 3E has a peak in the vicinity of 2θ = 30 °, but the samples 3F to 3H have no peak in the vicinity of 2θ = 30 °. Thus, when the oxygen flow rate during film formation is small, formation of the CAAC-OS is more likely to be hindered. In the samples 3A to 3H, the peak observed near 2θ = 20 ° is attributed to the quartz substrate.

また、試料3Dの断面TEM像を撮影した。図91に試料3Dの断面TEM像を示す。図91に示すように、試料3Dには層状の結晶が形成されておらず、CAAC−OSが成膜されていない。  A cross-sectional TEM image of Sample 3D was taken. FIG. 91 shows a cross-sectional TEM image of Sample 3D. As shown in FIG. 91, the layered crystal is not formed in the sample 3D, and the CAAC-OS is not formed.

このように、ターゲットに含まれるSiOが0.2重量%以下である試料3A乃至試料3CではCAAC−OSが形成され、ターゲットに含まれるSiOが2重量%である試料3DではCAAC−OSが形成されなかった。このことからターゲットに含まれるSiOがCAAC−OSの形成を阻害していることが予測される。Thus, the CAAC-OS is formed in the samples 3A to 3C in which the SiO 2 contained in the target is 0.2% by weight or less, and the CAAC-OS is formed in the sample 3D in which the SiO 2 contained in the target is 2% by weight. Was not formed. From this, it is predicted that SiO 2 contained in the target inhibits formation of CAAC-OS.

よって、IGZO膜の成膜に用いるターゲットにSiOなどの不純物が含まれないことが好ましい。例えば、ターゲット中に含まれるSiOを2重量%未満、好ましくは0.2重量%以下、より好ましくは0.02重量%未満とすればよい。Therefore, it is preferable that the target used for forming the IGZO film does not include impurities such as SiO 2 . For example, SiO 2 contained in the target may be less than 2% by weight, preferably 0.2% by weight or less, more preferably less than 0.02% by weight.

また、本実施例においては、試料3A乃至試料3Dについて、ホール効果測定を行った。なお、ホール効果測定は、株式会社東陽テクニカ製ResiTest8400シリーズを用いて行った。  In this example, Hall effect measurement was performed on samples 3A to 3D. In addition, the Hall effect measurement was performed using Toyo Technica Co., Ltd. ResiTest8400 series.

試料3A乃至試料3Dのホール効果測定によって得られたホール(Hall)移動度を図92に示す。図92は、縦軸にホール移動度[cm/V・s]をとる。FIG. 92 shows Hall mobility obtained by Hall effect measurement of Samples 3A to 3D. In FIG. 92, the vertical axis represents the hole mobility [cm 2 / V · s].

図92に示すように、試料3A乃至試料3Cは同程度のホール移動度をとるが、試料3Dは他と比べてホール移動度が低い。ここでホール移動度は、試料3Aが17.90[cm/V・s]、試料3Bが18.09[cm/V・s]、試料3Cが18.67[cm/V・s]、試料3Dが12.50[cm/V・s]となった。As shown in FIG. 92, Sample 3A to Sample 3C have the same hole mobility, but Sample 3D has a lower hole mobility than the others. Here, the hole mobility is 17.90 [cm 2 / V · s] for the sample 3A, 18.09 [cm 2 / V · s] for the sample 3B, and 18.67 [cm 2 / V · s] for the sample 3C. Sample 3D was 12.50 [cm 2 / V · s].

このように、IGZO膜にSiOが含まれることを防ぎ、IGZO膜をCAAC−OSにすることで、ホール移動度を向上させることもできる。In this manner, hole mobility can be improved by preventing the IGZO film from containing SiO 2 and using the IGZO film as a CAAC-OS.

本実施例では、アモルファス状の酸化シリコン膜の上に成膜したIn−Ga−Zn酸化物膜(以下、試料4と呼ぶ。)についてTEMなどを用いて観察した結果について説明する。  In this example, the results of observation of an In—Ga—Zn oxide film (hereinafter referred to as a sample 4) formed over an amorphous silicon oxide film using a TEM or the like will be described.

試料4は、シリコン基板にIn−Ga−Zn酸化物膜を、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)ターゲットを用いた対向ターゲット式スパッタリング装置によって形成した。なお、シリコン基板の表面には、アモルファス状の酸化シリコン膜が形成されており、In−Ga−Zn酸化物膜はその上に形成される。In−Ga−Zn酸化物膜の成膜は、アルゴンガス20sccmおよび酸素ガス10sccmを含む雰囲気にて圧力を0.4Paに制御し、基板温度を300℃、ターゲットにDC電源により出力1000W印加して行った。  Sample 4 is formed using an opposed target sputtering apparatus using an In—Ga—Zn oxide film on a silicon substrate and an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1) target. Formed. Note that an amorphous silicon oxide film is formed over the surface of the silicon substrate, and an In—Ga—Zn oxide film is formed thereover. The In—Ga—Zn oxide film was formed by controlling the pressure to 0.4 Pa in an atmosphere containing argon gas 20 sccm and oxygen gas 10 sccm, applying a substrate temperature of 300 ° C., and applying 1000 W output to the target from a DC power source. went.

作製した試料4に対し、In−Ga−Zn酸化物膜の断面TEM像の観察を行った。試料4の断面TEM像を図93(A)に示す。図93(A)のIGZOはIn−Ga−Zn酸化物膜を示し、SiOxは酸化シリコン膜を示す。  A cross-sectional TEM image of the In—Ga—Zn oxide film was observed on the manufactured sample 4. A cross-sectional TEM image of Sample 4 is shown in FIG. In FIG. 93A, IGZO represents an In—Ga—Zn oxide film, and SiO x represents a silicon oxide film.

図93(A)に示すように、試料4のIn−Ga−Zn酸化物膜中に層状の結晶領域が見られ、前述のCAAC−OSが形成されていることが分かる。ただし、アモルファス状の酸化シリコン膜とIn−Ga−Zn酸化物膜の界面付近(以下、領域5000と呼ぶ。)では、層状の結晶領域は観測できない。  As shown in FIG. 93A, a layered crystal region is observed in the In—Ga—Zn oxide film of Sample 4, which indicates that the above-described CAAC-OS is formed. Note that a layered crystal region cannot be observed in the vicinity of an interface between an amorphous silicon oxide film and an In—Ga—Zn oxide film (hereinafter referred to as a region 5000).

また、試料4のシリコン基板、酸化シリコン膜、In−Ga−Zn酸化物膜の界面近傍について、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)を用いてSiとOを検出した。図93(A)に示す断面TEM像を縮小して範囲を広げた写真とEDXによるSiとOのプロファイルを、試料4の膜厚を揃えて図93(B)に示す。図93(B)に示すEDXのプロファイルは、縦軸に測定の深さ[nm]をとり、横軸に信号強度[count]をとる。  Further, Si and O are detected in the vicinity of the interface of the silicon substrate, the silicon oxide film, and the In—Ga—Zn oxide film of Sample 4 using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). did. FIG. 93B shows a photograph in which the cross-sectional TEM image shown in FIG. 93A is reduced and the range is expanded, and the Si and O profiles by EDX are aligned with the film thickness of the sample 4. The profile of EDX shown in FIG. 93B has the measurement depth [nm] on the vertical axis and the signal intensity [count] on the horizontal axis.

図93(B)に示すように、領域5000において、Si基板側に近づくにつれて、Siが増加する一方でOが減少している。つまり、領域5000において酸化シリコンとIn−Ga−Zn酸化物の混合層が形成されている。これにより、In−Ga−Zn酸化物の成膜初期に、In−Ga−Zn酸化物とアモルファス状のシリコンの混合層が形成されるために、領域5000で層状の結晶領域が観察されないと推測される。  As shown in FIG. 93 (B), in the region 5000, as it approaches the Si substrate side, Si increases while O decreases. That is, a mixed layer of silicon oxide and In—Ga—Zn oxide is formed in the region 5000. Accordingly, since a mixed layer of In—Ga—Zn oxide and amorphous silicon is formed at the initial stage of film formation of the In—Ga—Zn oxide, it is assumed that a layered crystal region is not observed in the region 5000. Is done.

本実施例では、凸部の上にIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した試料(以下、試料5と呼ぶ。)についてTEMなどを用いて観察した結果について説明する。  In this example, the results of observation using a TEM or the like of a sample in which an In—Ga—Zn oxide film is formed over a convex portion (hereinafter referred to as a sample 5) will be described.

図94(A)に試料5の構造の概略を示す。試料5は、図94(A)に示すように、シリコン基板の上に成膜された酸化窒化シリコン膜5010と、酸化窒化シリコン膜5010の上に形成されたIn−Ga−Zn酸化物膜5011と、酸化窒化シリコン膜5010及びIn−Ga−Zn酸化物膜5011の上に成膜されたIn−Ga−Zn酸化物膜5012と、からなる。ここで、In−Ga−Zn酸化物膜5011は、パターニングされて島状の凸部を形成している。以下に、試料5の作製方法について説明する。  FIG. 94A shows an outline of the structure of Sample 5. As illustrated in FIG. 94A, the sample 5 includes a silicon oxynitride film 5010 formed over a silicon substrate and an In—Ga—Zn oxide film 5011 formed over the silicon oxynitride film 5010. And an In—Ga—Zn oxide film 5012 formed over the silicon oxynitride film 5010 and the In—Ga—Zn oxide film 5011. Here, the In—Ga—Zn oxide film 5011 is patterned to form island-shaped protrusions. Hereinafter, a method for manufacturing Sample 5 will be described.

まず、シリコン基板に膜厚300nmを狙って、PECVD法を用いて酸化窒化シリコン膜5010を成膜した。次に、酸化窒化シリコン膜5010にCMP処理を行った。  First, a silicon oxynitride film 5010 was formed on a silicon substrate by a PECVD method with a film thickness of 300 nm. Next, CMP treatment was performed on the silicon oxynitride film 5010.

次に、酸化窒化シリコン膜5010の上に、スパッタリング法を用いてIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した。In−Ga−Zn酸化物膜は、原子数比In:Ga:Zn=1:3:4のターゲットを用いて、膜厚20nmを狙って成膜した酸化物膜と、その上に原子数比In:Ga:Zn=1:1:1のターゲットを用いて、膜厚15nmを狙って成膜した酸化物膜の積層膜である。原子数比In:Ga:Zn=1:3:4のターゲットを用いた酸化物膜の成膜は、アルゴンガス40sccmおよび酸素ガス5sccmを含む雰囲気にて圧力を0.7Paに制御し、基板温度を200℃、ターゲットにDC電源により出力500W印加して行った。また、原子数比In:Ga:Zn=1:1:1のターゲットを用いた酸化物膜の成膜は、アルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmを含む雰囲気にて圧力を0.7Paに制御し、基板温度を300℃、ターゲットにDC電源により出力500W印加して行った。  Next, an In—Ga—Zn oxide film was formed over the silicon oxynitride film 5010 by a sputtering method. The In—Ga—Zn oxide film includes an oxide film formed with a target of an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 3: 4 and a thickness of 20 nm, and an atomic ratio on the oxide film. This is a stacked film of oxide films formed to a thickness of 15 nm using a target of In: Ga: Zn = 1: 1: 1. In forming an oxide film using a target having an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 3: 4, the pressure is controlled to 0.7 Pa in an atmosphere containing argon gas 40 sccm and oxygen gas 5 sccm, and the substrate temperature Was performed by applying an output of 500 W to the target from a DC power source. In addition, in the formation of the oxide film using the target having the atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1, the pressure is controlled to 0.7 Pa in an atmosphere containing 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, The substrate temperature was 300 ° C., and an output of 500 W was applied to the target from a DC power source.

次に、In−Ga−Zn酸化物の積層膜の上にタングステンからなるメタルマスクを形成し、ドライエッチング法を用いて島状のIn−Ga−Zn酸化物膜5011を形成した。  Next, a metal mask made of tungsten was formed over the stacked film of In—Ga—Zn oxide, and an island-shaped In—Ga—Zn oxide film 5011 was formed using a dry etching method.

次に、酸化窒化シリコン膜5010及びIn−Ga−Zn酸化物膜5011の上に、スパッタリング法を用いてIn−Ga−Zn酸化物膜5012を成膜した。In−Ga−Zn酸化物膜5012は、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=4:2:4.1)ターゲットを用いて、膜厚50nmを狙って成膜した。In−Ga−Zn酸化物膜5012の成膜は、アルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmを含む雰囲気にて圧力を0.7Paに制御し、基板温度を200℃、ターゲットにDC電源により出力500W印加して行った。  Next, an In—Ga—Zn oxide film 5012 was formed over the silicon oxynitride film 5010 and the In—Ga—Zn oxide film 5011 by a sputtering method. The In—Ga—Zn oxide film 5012 was formed using an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1) target with a thickness of 50 nm. . The In—Ga—Zn oxide film 5012 is formed by controlling the pressure to 0.7 Pa in an atmosphere containing an argon gas of 30 sccm and an oxygen gas of 15 sccm, applying a substrate temperature of 200 ° C. and an output of 500 W to the target from a DC power source. I went.

作製した試料5に対し、In−Ga−Zn酸化物膜の断面TEM像の観察と、電子回折パターンの観測を行った。試料5の断面TEM像を図94(B)に示す。さらに、図94(B)中の領域B1乃至B6の拡大図を図94(B1)乃至図94(B6)に示す。また、試料5の断面TEM像の拡大図を図95(A)に示す。さらに、図95(A)中のポイントA1乃至A4の電子回折パターンを図95(A1)乃至図95(A4)に示す。  With respect to the manufactured sample 5, observation of a cross-sectional TEM image of the In—Ga—Zn oxide film and observation of an electron diffraction pattern were performed. A cross-sectional TEM image of Sample 5 is shown in FIG. Further, enlarged views of regions B1 to B6 in FIG. 94B are shown in FIGS. 94B1 to 94B6. In addition, an enlarged view of a cross-sectional TEM image of Sample 5 is shown in FIG. Further, electron diffraction patterns at points A1 to A4 in FIG. 95A are shown in FIGS. 95A1 to 95A4.

図94(B1)乃至図94(B6)に示すように、In−Ga−Zn酸化物膜5011及びIn−Ga−Zn酸化物膜5012の領域B1乃至B6において、層状の結晶領域が見られる。ここで、In−Ga−Zn酸化物膜5012は、凸部状のIn−Ga−Zn酸化物膜5011を下地として成膜されている。領域B4、B6はIn−Ga−Zn酸化物膜5011の側面部を下地とし、領域B1、B3はIn−Ga−Zn酸化物膜5011の曲面部を下地とし、領域B2はIn−Ga−Zn酸化物膜5011の上面部を下地としている。In−Ga−Zn酸化物膜5012の層状の結晶領域は、領域B1、B2、B3、B4、B6のいずれにおいてもIn−Ga−Zn酸化物膜5011及びIn−Ga−Zn酸化物膜5012の表面に略平行である。  As shown in FIGS. 94B1 to 94B6, layered crystal regions are observed in the regions B1 to B6 of the In—Ga—Zn oxide film 5011 and the In—Ga—Zn oxide film 5012. Here, the In—Ga—Zn oxide film 5012 is formed using a protruding In—Ga—Zn oxide film 5011 as a base. The regions B4 and B6 are based on the side surface portion of the In—Ga—Zn oxide film 5011, the regions B1 and B3 are based on the curved surface portion of the In—Ga—Zn oxide film 5011, and the region B2 is In—Ga—Zn. The upper surface portion of the oxide film 5011 is used as a base. The layered crystal region of the In—Ga—Zn oxide film 5012 includes the In—Ga—Zn oxide film 5011 and the In—Ga—Zn oxide film 5012 in any of the regions B1, B2, B3, B4, and B6. It is substantially parallel to the surface.

よって、上記実施の形態の図6(B)に示したように、凸部の上に形成されたナノクラスターが凸部表面に略平行に配列していることが示された。  Therefore, as shown in FIG. 6B of the above-described embodiment, it was shown that the nanoclusters formed on the convex portion were arranged substantially parallel to the convex surface.

また、図95(A1)乃至図95(A4)に示すように、ポイントA1乃至A4において、鮮明なスポット状のパターンが現れており、(009)面に帰属されるスポットも観測された。また、In−Ga−Zn酸化物膜5012のポイントA1乃至A3において、(009)面に帰属されるスポットを結んだ直線は、In−Ga−Zn酸化物膜5011及びIn−Ga−Zn酸化物膜5012の表面に略垂直になっている。  As shown in FIGS. 95A1 to 95A4, clear spot-like patterns appear at points A1 to A4, and spots belonging to the (009) plane were also observed. In addition, at points A1 to A3 of the In—Ga—Zn oxide film 5012, straight lines connecting spots belonging to the (009) plane are In—Ga—Zn oxide film 5011 and In—Ga—Zn oxide. It is substantially perpendicular to the surface of the film 5012.

以上より、In−Ga−Zn酸化物膜5012の層状の結晶領域は、結晶のc軸がIn−Ga−Zn酸化物膜5011の表面に略垂直になるように配向していることが推測される。これにより、上記実施の形態に示すように、c軸が下地面に対して略垂直なナノクラスターが下地膜上に形成され、当該ナノクラスターが横方向に成長し、層状の結晶領域を有する酸化物半導体膜が形成されるモデルが考えられる。  From the above, it is estimated that the layered crystal region of the In—Ga—Zn oxide film 5012 is oriented so that the c-axis of the crystal is substantially perpendicular to the surface of the In—Ga—Zn oxide film 5011. The As a result, as shown in the above embodiment, nanoclusters whose c-axis is substantially perpendicular to the base surface are formed on the base film, and the nanoclusters grow laterally and have a layered crystal region. A model in which a physical semiconductor film is formed can be considered.

本実施例では、上記実施の形態に示す成膜方法を用いて成膜したIGZO膜について偏光XANES(X−ray Absorption Near Edge Structure)測定を行った結果について説明する。  In this example, a result of performing polarization XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) measurement on the IGZO film formed by using the film formation method described in the above embodiment mode will be described.

本実施例では、試料6A〜6Cとして、n型の単結晶シリコン基板にIGZO膜を成膜した。試料6AではIGZOの膜厚を50nm狙いとし、試料6B及び試料6CではIGZOの膜厚を100nm狙いとした。試料6A及び試料6Bは、IGZO膜としてCAAC−OSを成膜し、試料6CはIGZO膜としてnc−OSを成膜した。なお、試料6Aは試料6Bより結晶性が高いCAAC−OSにした。  In this example, as samples 6A to 6C, an IGZO film was formed on an n-type single crystal silicon substrate. In sample 6A, the film thickness of IGZO was aimed at 50 nm, and in sample 6B and sample 6C, the film thickness of IGZO was aimed at 100 nm. In Sample 6A and Sample 6B, a CAAC-OS was formed as an IGZO film, and in Sample 6C, an nc-OS was formed as an IGZO film. Note that the sample 6A was a CAAC-OS having higher crystallinity than the sample 6B.

本実施例に用いたIGZO膜の成膜は、成膜ガスの圧力を0.4Paに制御し、ターゲットにDC電源により出力200W印加して行った。また、ターゲットとして、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)を用いた。ただし、試料6AではCAAC−OS膜を成膜するため、成膜ガスを酸素ガス30sccmとし、基板温度を300℃として成膜を行った。また、試料6BではCAAC−OS膜を成膜するため、成膜ガスをアルゴンガス20sccm、酸素ガス10sccmとし、基板温度を300℃として成膜を行った。また、試料6Cではnc−OS膜を成膜するため、成膜ガスをアルゴンガス20sccm、酸素ガス10sccmとし、基板温度を室温として成膜を行った。  The IGZO film used in this example was formed by controlling the pressure of the deposition gas to 0.4 Pa and applying an output of 200 W to the target from a DC power source. In addition, an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio: In: Ga: Zn = 1: 1: 1) was used as a target. However, in the sample 6A, in order to form the CAAC-OS film, the film formation gas was set to oxygen gas 30 sccm, and the substrate temperature was set to 300 ° C. In Sample 6B, in order to form a CAAC-OS film, deposition was performed with an argon gas of 20 sccm and an oxygen gas of 10 sccm and a substrate temperature of 300 ° C. In Sample 6C, in order to form an nc-OS film, deposition was performed with a deposition gas of 20 sccm of argon gas and 10 sccm of oxygen gas, and a substrate temperature of room temperature.

作製した試料6A〜6C(以下、試料と略して記載する場合がある。)について、XAS(X−ray Absorption Spectroscopy)の一種である偏光XANES測定を行い、X線の吸光度を測定した。XASで得られるX線吸収スペクトルには、吸収端と呼ばれる急峻な立ち上がりが現れる。偏光XANES測定では、吸収端近傍に対応するエネルギー範囲の偏光X線を照射して、X線の各エネルギーにおける吸光度を算出し、吸収端近傍のX線吸収スペクトルを得る。  For the produced samples 6A to 6C (hereinafter sometimes abbreviated as samples), polarized XANES measurement, which is a kind of XAS (X-ray Absorption Spectroscopy), was performed, and X-ray absorbance was measured. In the X-ray absorption spectrum obtained by XAS, a steep rise called an absorption edge appears. In the polarization XANES measurement, polarized X-rays in the energy range corresponding to the vicinity of the absorption edge are irradiated, the absorbance at each energy of the X-ray is calculated, and an X-ray absorption spectrum near the absorption edge is obtained.

本実施例の偏光XANES測定は、立命館大学SRセンターのBL−11で、放射光X線を照射して行った。一般に、放射光では電子を曲げる方向に電場ベクトルが向いている直線偏光が得られる。このため、本実施例に用いた放射光X線は直線偏光となっている。また、放射光X線のエネルギー範囲は、酸素原子のK吸収端近傍、具体的には510eV〜650eVとした。  The polarized XANES measurement of this example was performed by irradiating synchrotron X-rays with BL-11 at the Ritsumeikan University SR Center. In general, synchrotron radiation provides linearly polarized light whose electric field vector is oriented in the direction of bending electrons. For this reason, the synchrotron X-ray used in this embodiment is linearly polarized light. The energy range of the synchrotron radiation X-ray was set in the vicinity of the K absorption edge of oxygen atoms, specifically 510 eV to 650 eV.

本実施例では、入射X線の電場ベクトルに対する試料の角度を変化させてXANES測定を行った。入射X線に対する試料の配置について図96(A)〜(C)に示す。図96(A)〜(C)では、入射X線の進行方向を破線で、偏光された入射X線の電場ベクトルを実線で示している。また、試料の基板表面に対して垂直な法線ベクトルを図示している。図96(A)では、入射X線の電場ベクトルと試料の法線ベクトルのなす角(以下、角度θと記載する場合がある。)が90°になるように試料を配置している。また、図96(B)では、角度θ=55°になるように試料を配置している。また、図96(C)では、角度θ=15°になるように試料を配置している。  In this example, XANES measurement was performed by changing the angle of the sample with respect to the electric field vector of the incident X-ray. 96A to 96C show the arrangement of the sample with respect to the incident X-ray. In FIGS. 96A to 96C, the traveling direction of incident X-rays is indicated by a broken line, and the electric field vector of polarized incident X-rays is indicated by a solid line. Further, a normal vector perpendicular to the substrate surface of the sample is shown. In FIG. 96A, the sample is arranged so that the angle formed by the electric field vector of the incident X-ray and the normal vector of the sample (hereinafter sometimes referred to as angle θ) is 90 °. In FIG. 96B, the sample is arranged so that the angle θ = 55 °. In FIG. 96C, the sample is arranged so that the angle θ = 15 °.

ここで、角度θが大きくなるほど電場ベクトルのIGZO膜面に平行な成分が大きくなり、角度θが小さくなるほど電場ベクトルのIGZO膜面に垂直な成分が大きくなる。よって、IGZO膜がc軸配向性を有する場合、図96(A)のように角度θが大きいならば、ab面方向に振動する電場に応答する吸収が強調され、図96(C)ように角度θが小さいならば、c軸方向に振動する電場に応答する吸収が強調される。  Here, as the angle θ increases, the component of the electric field vector parallel to the IGZO film surface increases, and as the angle θ decreases, the component of the electric field vector perpendicular to the IGZO film surface increases. Therefore, when the IGZO film has c-axis orientation, if the angle θ is large as shown in FIG. 96A, the absorption in response to the electric field oscillating in the ab plane direction is emphasized, as shown in FIG. 96C. If the angle θ is small, the absorption in response to the electric field oscillating in the c-axis direction is emphasized.

図96(A)乃至図96(C)に示す配置で試料にX線を照射し、全電子収量法を用いてX線の吸光度を算出した。  The sample was irradiated with X-rays in the arrangement shown in FIGS. 96A to 96C, and the absorbance of X-rays was calculated using the total electron yield method.

試料6A〜6Cにおいて偏光XANES測定で得られたX線吸収スペクトルを図97(A)〜(C)に示す。図97(A)〜(C)に示すX線吸収スペクトルは、横軸にX線のエネルギー[eV]をとり、縦軸に規格化された吸光度をとる。なお、図97(A)〜(C)に示すX線のエネルギー範囲は525eV〜560eVとした。また、吸光度は、バックグラウンドの寄与を除いた上で、入射X線のエネルギーが十分大きく、K吸収端近くのピークが見られない領域を1.0として、規格化した。  97A to 97C show X-ray absorption spectra obtained by polarized XANES measurement in samples 6A to 6C. In the X-ray absorption spectra shown in FIGS. 97A to 97C, the horizontal axis represents X-ray energy [eV], and the vertical axis represents normalized absorbance. Note that the energy range of the X-rays illustrated in FIGS. 97A to 97C is 525 eV to 560 eV. Absorbance was normalized by taking 1.0 as an area where the energy of incident X-rays was sufficiently large and no peak near the K absorption edge was observed, excluding background contribution.

図97(A)(B)に示すように、試料6A及び試料6Bでは、角度θが大きくなるにつれて、530eV〜540eV近傍の吸光度が大きくなっている。これに対して、図97(C)に示す試料6Cでは、角度θと吸光度の間に、試料6A及び試料6Bほど相関は見られなかった。  As shown in FIGS. 97A and 97B, in samples 6A and 6B, the absorbance in the vicinity of 530 eV to 540 eV increases as the angle θ increases. On the other hand, in the sample 6C shown in FIG. 97C, the correlation between the angle θ and the absorbance was not observed as much as in the samples 6A and 6B.

ここで、図97(A)〜(C)に示すX線吸収スペクトルの534eV近傍のピーク(以下、1stピークという。)の吸光度について、角度θ=55°の値を1.0とする相対値(以下、1stピーク吸光度の相対値という。)を、図98に示す。図98は、横軸に試料の角度θ[deg]をとり、縦軸に1stピーク吸光度の相対値をとる。  Here, with respect to the absorbance of the peak in the vicinity of 534 eV (hereinafter referred to as the 1st peak) of the X-ray absorption spectra shown in FIGS. 97A to 97C, a relative value where the value of the angle θ = 55 ° is 1.0. 98 (hereinafter referred to as the relative value of the 1st peak absorbance) is shown in FIG. In FIG. 98, the horizontal axis represents the sample angle θ [deg], and the vertical axis represents the relative value of the 1st peak absorbance.

図98に示すように、1stピーク吸光度の相対値について、試料6A及び試料6Bでは、角度θと明確な相関が見られた。これに対して、試料6Cでは、角度θと1stピーク吸光度の相対値の間に、試料6A及び試料6Bのような明確な相関は見られなかった。  As shown in FIG. 98, regarding the relative value of the 1st peak absorbance, the sample 6A and the sample 6B showed a clear correlation with the angle θ. On the other hand, in Sample 6C, no clear correlation was found between the angle θ and the relative value of the 1st peak absorbance as in Sample 6A and Sample 6B.

このように、CAAC−OSが形成された試料6A及び試料6Bでは、角度θ=90°のときにK吸収端近傍の吸光度は大きく、角度θ=15°のときにK吸収端近傍の吸光度は小さかった。つまり、CAAC−OSでは、ab面方向に振動する電場に応答する吸収が、c軸方向に振動する電場に応答する吸収より強く表れたということができる。これにより、CAAC−OSでは、結晶構造の異方性に対応して電子構造に異方性がある可能性が示された。  Thus, in the samples 6A and 6B in which the CAAC-OS is formed, the absorbance near the K absorption edge is large when the angle θ = 90 °, and the absorbance near the K absorption edge is when the angle θ = 15 °. It was small. That is, in the CAAC-OS, it can be said that the absorption in response to the electric field oscillating in the ab plane direction appears stronger than the absorption in response to the electric field oscillating in the c-axis direction. Thus, in CAAC-OS, the possibility that the electronic structure has anisotropy corresponding to the anisotropy of the crystal structure was shown.

また、酸素原子のK吸収端直上は、1s軌道から2p軌道への電子の遷移に対応している。一般的にIGZOはイオン結晶であるといわれており、イオン結晶においては、酸素イオンの2p軌道は電子によって占有されているはずである。しかしながら本実地例では、酸素原子の1s軌道から2p軌道への電子の遷移に対応するX線吸収スペクトルが観測された。このことから、酸素原子の2p軌道が完全に電子によって占有されておらず、酸素原子の2p軌道の一部はフェルミ準位より高い、すなわち伝導帯に含まれている可能性を示唆している。  Further, immediately above the K absorption edge of the oxygen atom corresponds to an electron transition from the 1s orbit to the 2p orbit. In general, IGZO is said to be an ionic crystal, and in the ionic crystal, the 2p orbit of oxygen ions should be occupied by electrons. However, in this practical example, an X-ray absorption spectrum corresponding to the electron transition from the 1s orbit to the 2p orbit of the oxygen atom was observed. This suggests that the 2p orbit of the oxygen atom is not completely occupied by electrons, and that a part of the 2p orbit of the oxygen atom is higher than the Fermi level, that is, included in the conduction band. .

次に、IGZO膜の結晶モデルについてシミュレーションを行って、偏光XANES測定に対応するスペクトルを算出し、本実施例に係る試料と比較した。なお、IGZO膜の結晶モデルと比較を行うため、試料6BのIGZO膜を多結晶化させた試料6Dと、試料6CのIGZO膜を多結晶化させた試料6Eを作製した。  Next, a simulation was performed on the crystal model of the IGZO film, a spectrum corresponding to the polarization XANES measurement was calculated, and compared with the sample according to this example. In order to compare with the crystal model of the IGZO film, a sample 6D obtained by polycrystallizing the IGZO film of the sample 6B and a sample 6E obtained by polycrystallizing the IGZO film of the sample 6C were manufactured.

試料6Dは、試料6Bと同じ条件でIGZO膜を成膜し、熱処理を行って作製した。また、試料6Eは、試料6Cと同じ条件でIGZO膜を成膜し、熱処理を行って作製した。なお、試料6D及び試料6Eの熱処理は、基板温度を800℃にして、窒素16L/min、酸素4L/minの雰囲気で1時間行った。  Sample 6D was manufactured by forming an IGZO film under the same conditions as Sample 6B and performing heat treatment. Sample 6E was manufactured by forming an IGZO film under the same conditions as Sample 6C and performing heat treatment. Note that the heat treatment of Sample 6D and Sample 6E was performed for 1 hour in an atmosphere of nitrogen 16 L / min and oxygen 4 L / min at a substrate temperature of 800 ° C.

試料6D及び試料6Eについて、out−of−plane法によるXRD測定を行った。試料6D及び試料6EのXRDスペクトルについて図99(A)及び図99(B)に示す。ここで、図99の横軸は回折角2θ[degree]をとり、縦軸はX線回折強度(任意単位)をとる。さらに、図99(A)及び図99(B)の下には、無機結晶構造データベース(Inorganic Crystal Structure Database:ICSD)のInGaZnO4(ICSD Code 90003)の回折パターンを示している。  Sample 6D and sample 6E were subjected to XRD measurement by the out-of-plane method. The XRD spectra of Sample 6D and Sample 6E are shown in FIGS. 99 (A) and 99 (B). Here, the horizontal axis of FIG. 99 represents the diffraction angle 2θ [degree], and the vertical axis represents the X-ray diffraction intensity (arbitrary unit). Furthermore, the diffraction pattern of InGaZnO 4 (ICSD Code 90003) in the inorganic crystal structure database (ICSD) is shown below FIG. 99 (A) and FIG. 99 (B).

図99(A)に示すように、試料6Dでは、ICSDのInGaZnO4の回折パターンの強度比に対し、(001)面(例えば(009)面など)の回折パターンに帰属されるピークのみが見られており、他の結晶面に帰属される回折パターンのピークは見られない。試料6EではICSDのInGaZnO4の回折パターンの強度比と異なっており(001)面の回折パターンに帰属されるピークが強調されて見られるが、(001)面以外の結晶面に帰属される回折パターンも多く見られる。このことから、試料6Dの方が試料6Eよりもc軸配向性が高いものの、どちらもc軸配向性を有する多結晶であることが示唆された。  As shown in FIG. 99 (A), in sample 6D, only the peak attributed to the diffraction pattern of the (001) plane (for example, (009) plane) is seen with respect to the intensity ratio of the diffraction pattern of ICSD InGaZnO 4. The peaks of diffraction patterns attributed to other crystal planes are not observed. In sample 6E, the intensity ratio of the diffraction pattern of ICSD InGaZnO4 is different from that of the diffraction pattern of the (001) plane, and the peak attributed to the diffraction pattern of the (001) plane is emphasized. Many are also seen. This suggests that although the sample 6D has higher c-axis orientation than the sample 6E, both are polycrystalline with c-axis orientation.

試料6A〜試料6Cと同じ条件で、試料6D及び試料6Eについて偏光XANES測定を行った。試料6D及び試料6Eにおいて偏光XANES測定で得られたX線吸収スペクトルを図100(A)及び図100(B)に示す。図100(A)(B)に示すX線吸収スペクトルは、横軸にX線のエネルギー[eV]をとり、縦軸に規格化された吸光度をとる。なお、図100(A)(B)に示すX線のエネルギー範囲は525eV〜545eVとした。  Polarized XANES measurement was performed on Sample 6D and Sample 6E under the same conditions as Sample 6A to Sample 6C. 100A and 100B show X-ray absorption spectra obtained by polarized XANES measurement in Sample 6D and Sample 6E. In the X-ray absorption spectra shown in FIGS. 100A and 100B, the horizontal axis represents X-ray energy [eV], and the vertical axis represents normalized absorbance. Note that the energy range of X-rays illustrated in FIGS. 100A and 100B is 525 eV to 545 eV.

図100(A)(B)に示すように、試料6D及び試料6Eでは、角度θが大きくなるにつれて、1stピークの吸光度が大きくなっている。このように、試料6D及び試料6Eにおいても、試料6A及び試料6Bと同様に、角度θと1stピークの吸光度の間に相関が見られた。  As shown in FIGS. 100A and 100B, in sample 6D and sample 6E, the absorbance at the 1st peak increases as angle θ increases. Thus, also in Sample 6D and Sample 6E, as in Sample 6A and Sample 6B, a correlation was found between angle θ and absorbance at the 1st peak.

ただし、θ=15°で測定した条件においては、試料6Dと試料6Eで、537〜539eV近傍のピーク(以下、2ndピークという。)の吸光度及びピーク位置に明確な差が見られた。  However, under the conditions measured at θ = 15 °, a clear difference was observed in the absorbance and peak position of the peak in the vicinity of 537 to 539 eV (hereinafter referred to as 2nd peak) between Sample 6D and Sample 6E.

次に、図101に示すInGaZnOの結晶モデルを用いてXANESスペクトルを計算した。XANESスペクトルは、内殻電子が伝導帯に遷移する際の吸収スペクトルに対応する。Next, the XANES spectrum was calculated using the crystal model of InGaZnO 4 shown in FIG. The XANES spectrum corresponds to the absorption spectrum when the inner-shell electrons transition to the conduction band.

ここで、内殻電子の遷移確率は、双極子近似の下では、遷移双極子モーメントの大きさに比例するとみなすことができる。  Here, the transition probability of the inner shell electron can be regarded as being proportional to the magnitude of the transition dipole moment under the dipole approximation.

図101に示す結晶モデルは、内殻空孔間の相互作用を小さくする目的で作成した112原子の1nGaZnOスーパーセルモデルである。それぞれのスーパーセルにつき、一個の酸素原子の1s軌道に内殻空孔(図101中でcore holeと表示。)を導入する。このようにして上記結晶モデルを用いた計算により、図97または図100に示すX線吸収スペクトルに対応するスペクトルを算出した。The crystal model shown in FIG. 101 is a 112-atom 1nGaZnO 4 supercell model created for the purpose of reducing the interaction between the inner shell vacancies. For each supercell, an inner shell vacancy (indicated as core hole in FIG. 101) is introduced into the 1s orbit of one oxygen atom. Thus, a spectrum corresponding to the X-ray absorption spectrum shown in FIG. 97 or 100 was calculated by the calculation using the crystal model.

なお、第一原理計算には、擬ポテンシャルと、平面波基底を用いた密度汎関数プログラム(CASTEP)を用いた。原子の擬ポテンシャルにはVanderbuit型ウルトラソフト擬ポテンシャルを用いているが、内殻空孔の効果を取り入れるために、酸素の1s軌道から電子を取り去った擬ポテンシャルを用いた。また、擬ポテンシャル法を用いる場合、遷移エネルギーを直接求めることができない。そこで、酸素の1s軌道の電子の有無をそれぞれ反映したポテンシャルで孤立原子を計算し、その全エネルギーの差から遷移エネルギーを算出した。また、交換相関ポテンシャルにはPBEsol(Perdew−Burke−Ernzerhof revised for solid)型の一般化勾配近似(GGA:Generallized Gradient Approximation)を用いた。また、カットオフエネルギーは800eVとした。また、サンプルk点の数は4×3×3とした。  In the first principle calculation, a density functional program (CASTEP) using a pseudopotential and a plane wave basis was used. The Vanderbuit type ultrasoft pseudopotential is used for the pseudopotential of the atom, but in order to incorporate the effect of the inner vacancies, the pseudopotential obtained by removing electrons from the oxygen 1s orbital was used. In addition, when the pseudopotential method is used, the transition energy cannot be obtained directly. Therefore, isolated atoms were calculated with potentials that reflected the presence or absence of electrons in the 1s orbital of oxygen, and the transition energy was calculated from the difference in total energy. Moreover, PBEsol (Perdew-Burke-Ernzerhof revised for solid) type generalized gradient approximation (GGA) was used for the exchange correlation potential. The cut-off energy was 800 eV. The number of sample k points was 4 × 3 × 3.

また、上記偏光XANES測定と同様に、本計算においても入射X線の角度θ=0°、15°、55°または90°に対応するように結晶モデルの格子ベクトルをそれぞれ設定した。  Similarly to the polarization XANES measurement, in this calculation, the lattice vector of the crystal model was set so as to correspond to the incident X-ray angle θ = 0 °, 15 °, 55 °, or 90 °.

上記結晶モデルの計算により得られたスペクトルを図102(A)に示す。図102(A)に示すスペクトルは、横軸に遷移エネルギー[eV]をとり、縦軸に規格化された吸光度をとる。なお、図102(A)に示す遷移エネルギーの範囲は525eV〜545eVとした。また、吸光度は、545eV付近の値で規格化されている。  A spectrum obtained by the calculation of the crystal model is shown in FIG. In the spectrum illustrated in FIG. 102A, the horizontal axis represents transition energy [eV], and the vertical axis represents normalized absorbance. Note that the transition energy range illustrated in FIG. 102A is 525 eV to 545 eV. Further, the absorbance is normalized by a value around 545 eV.

図102(A)に示すスペクトルでは、1stピークの吸光度の相対値と角度θには相関がみられており、試料6DのX線吸収スペクトル(図100(A))をよく再現できている。図101に示すように、上記結晶モデルのc軸方向とab面方向には構造の異方性がある。したがって、図102(A)に示すスペクトルが得られるということは、c軸配向性が高いことを意味している。図102(A)に示すスペクトルは、試料6Dの偏光XANESスペクトルをよく再現できている。よって、試料6Dはc軸配向性を有することが裏付けられた。  In the spectrum shown in FIG. 102A, there is a correlation between the relative value of the absorbance of the first peak and the angle θ, and the X-ray absorption spectrum of the sample 6D (FIG. 100A) can be reproduced well. As shown in FIG. 101, there is structural anisotropy in the c-axis direction and ab-plane direction of the crystal model. Therefore, the fact that the spectrum shown in FIG. 102A is obtained means that the c-axis orientation is high. The spectrum shown in FIG. 102A can reproduce well the polarization XANES spectrum of the sample 6D. Therefore, it was confirmed that Sample 6D has c-axis orientation.

また、配向分布を考慮して上記結晶モデルのスペクトルを補正することで、c軸配向性が低い試料6EのX線吸収スペクトルを再現できるか確認を行った。図102(A)に示すスペクトルの計算では、完全に配向した結晶モデルに対して、各入射X線角度でスペクトルの計算を行った。これに対して、結晶のc軸の方向に分布を持たせて上記結晶モデルの計算結果の補正を行った。ここで、c軸の方向の分布を、平均の傾きが0°(完全に配向した場合に等しい)で、ガウス分布に従うように設定した。  In addition, it was confirmed whether the X-ray absorption spectrum of the sample 6E having low c-axis orientation can be reproduced by correcting the spectrum of the crystal model in consideration of the orientation distribution. In the calculation of the spectrum shown in FIG. 102 (A), the spectrum was calculated at each incident X-ray angle with respect to a completely oriented crystal model. On the other hand, the calculation result of the crystal model was corrected by giving a distribution in the c-axis direction of the crystal. Here, the distribution in the c-axis direction was set so as to follow a Gaussian distribution with an average inclination of 0 ° (equal to the case of complete orientation).

配向分布を考慮して補正した計算により得られたスペクトルを図102(B)に示す。図102(B)に示すスペクトルは、横軸に遷移エネルギー[eV]をとり、縦軸に規格化された吸光度をとる。なお、図102(B)に示す遷移エネルギーの範囲は525eV〜545eVとした。また、吸光度は、545eV付近の値で規格化されている。  A spectrum obtained by calculation corrected in consideration of the orientation distribution is shown in FIG. The spectrum illustrated in FIG. 102B has transition energy [eV] on the horizontal axis and normalized absorbance on the vertical axis. Note that the transition energy range illustrated in FIG. 102B is 525 eV to 545 eV. Further, the absorbance is normalized by a value around 545 eV.

図102(B)に示すスペクトルは、図102(A)に示すスペクトルより、θ=15°の2ndピークの吸光度が小さくなっており、試料6EのX線吸収スペクトル(図100(B))を定性的に再現できている。このように、配向分布を考慮して補正した計算によって、上記結晶モデルのスペクトルをより試料6EのX線吸収スペクトルに近づけることができた。  In the spectrum shown in FIG. 102B, the absorbance of the 2nd peak at θ = 15 ° is smaller than the spectrum shown in FIG. 102A, and the X-ray absorption spectrum of the sample 6E (FIG. 100B) is obtained. Qualitatively reproduced. Thus, by the calculation corrected in consideration of the orientation distribution, the spectrum of the crystal model could be made closer to the X-ray absorption spectrum of the sample 6E.

また、試料6Aおよび試料6B、すなわちCAAC−OSのX線吸収スペクトルは、試料6Dおよび試料6EのX線吸収スペクトルと同様、1stピークの吸光度と角度θには相関が見られている。このことから、試料6Aおよび試料6Bも、c軸配向性を有することが示唆された。  In addition, in the X-ray absorption spectra of the samples 6A and 6B, that is, the CAAC-OS, a correlation is observed between the absorbance of the first peak and the angle θ, similarly to the X-ray absorption spectra of the samples 6D and 6E. From this, it was suggested that Sample 6A and Sample 6B also have c-axis orientation.

本実施例では、先の実施の形態に示すPESPまたはVDSPを用いて、In−Ga−Zn酸化物膜を成膜し、熱処理によってキャリア密度を変化させて、ホール効果測定を行った結果について説明する。  In this example, the results of measuring the Hall effect by forming an In—Ga—Zn oxide film using PESP or VDSP described in the above embodiment and changing the carrier density by heat treatment will be described. To do.

まず、本実施例で用いた試料7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G、7H及び7Jの作製方法について説明する。試料7A、7B、7C、7D及び7Eは、PESPを用いてIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した試料であり、試料7F、7G、7H及び7Jは、VDSPを用いてIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した試料である。  First, a method for manufacturing Samples 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H, and 7J used in this example will be described. Samples 7A, 7B, 7C, 7D, and 7E are samples in which an In—Ga—Zn oxide film is formed using PESP, and Samples 7F, 7G, 7H, and 7J are In—Ga— using VDSP. This is a sample in which a Zn oxide film is formed.

試料7A、7B、7C、7D及び7Eでは、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)ターゲットを用いた平行平板型スパッタリング装置によって、石英基板に膜厚100nm程度のIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した。In−Ga−Zn酸化物膜の成膜は、アルゴンガス20sccmおよび酸素ガス10sccmを含む雰囲気にて圧力を0.4Paに制御し、基板温度を300℃、ターゲットにDC電源により出力200W印加して行った。  In samples 7A, 7B, 7C, 7D, and 7E, a film was formed on a quartz substrate by a parallel plate sputtering apparatus using an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1) target. An In—Ga—Zn oxide film with a thickness of about 100 nm was formed. The In—Ga—Zn oxide film was formed by controlling the pressure to 0.4 Pa in an atmosphere containing argon gas 20 sccm and oxygen gas 10 sccm, applying a substrate temperature of 300 ° C. and an output of 200 W from the DC power source to the target. went.

試料7F、7G、7H及び7Jでは、In−Ga−Zn酸化物(原子数比In:Ga:Zn=1:1:1)ターゲットを用いた対向ターゲット式スパッタリング装置によって、石英基板に膜厚100nm程度のIn−Ga−Zn酸化物膜を成膜した。In−Ga−Zn酸化物膜の成膜は、アルゴンガス20sccmおよび酸素ガス10sccmを含む雰囲気にて圧力を0.4Paに制御し、基板温度を200℃、ターゲットにDC電源により出力1000W印加して行った。  In Samples 7F, 7G, 7H, and 7J, a quartz substrate was formed with a film thickness of 100 nm by an opposed target sputtering apparatus using an In—Ga—Zn oxide (atomic ratio In: Ga: Zn = 1: 1: 1) target. About In-Ga-Zn oxide film was formed. The In—Ga—Zn oxide film was formed by controlling the pressure to 0.4 Pa in an atmosphere containing argon gas 20 sccm and oxygen gas 10 sccm, applying a substrate temperature of 200 ° C., and applying 1000 W output to the target from a DC power source. went.

次に、試料7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G、7H及び7Jにそれぞれ異なる条件で熱処理を行った。試料7A及び試料7Fは、基板温度を450℃として窒素雰囲気で1時間熱処理を行った。試料7B、7C、7D、7E、7G、7H及び7Jは、基板温度を450℃として窒素雰囲気で1時間熱処理を行い、さらに酸素雰囲気で1時間熱処理を行った。  Next, the samples 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H, and 7J were heat-treated under different conditions. Samples 7A and 7F were heat-treated in a nitrogen atmosphere for 1 hour at a substrate temperature of 450 ° C. Samples 7B, 7C, 7D, 7E, 7G, 7H, and 7J were heat-treated in a nitrogen atmosphere for 1 hour at a substrate temperature of 450 ° C., and further heat-treated in an oxygen atmosphere for 1 hour.

さらに、試料7C、7D、7E、7H及び7Jでは、CVD装置を用いて、水素雰囲気(Hガス流量500sccm)で、圧力133Paとして、1時間熱処理を行った。熱処理温度はそれぞれ、試料7Cは200℃、試料7Dは250℃、試料7Eは350℃、試料7Hは150℃、試料7Jは300℃、とした。Further, Samples 7C, 7D, 7E, 7H, and 7J were heat-treated for 1 hour at a pressure of 133 Pa in a hydrogen atmosphere (H 2 gas flow rate 500 sccm) using a CVD apparatus. The heat treatment temperatures were 200 ° C. for sample 7C, 250 ° C. for sample 7D, 350 ° C. for sample 7E, 150 ° C. for sample 7H, and 300 ° C. for sample 7J.

以上のように、窒素雰囲気で熱処理を行ってから酸素雰囲気で熱処理を行うことにより、試料中のIn−Ga−Zn酸化物に酸素を供給し、酸素欠損を低減させてキャリア密度を低減させた。また、水素雰囲気で熱処理を行うことにより、試料中のIn−Ga−Zn酸化物に水素を供給し、欠陥準位密度を増加させてキャリア密度を増加させた。  As described above, by performing heat treatment in a nitrogen atmosphere and then performing heat treatment in an oxygen atmosphere, oxygen was supplied to the In—Ga—Zn oxide in the sample, and oxygen vacancies were reduced to reduce the carrier density. . Further, by performing heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen was supplied to the In—Ga—Zn oxide in the sample, and the defect level density was increased to increase the carrier density.

作製した試料7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G、7H及び7Jについてホール効果測定を行い、キャリア密度及びホール(Hall)移動度を評価した。なお、ホール効果測定は、株式会社東陽テクニカ製ResiTest8400シリーズを用いて行った。  Hall effect measurement was performed on the manufactured samples 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H, and 7J, and the carrier density and the hole mobility were evaluated. In addition, the Hall effect measurement was performed using Toyo Technica Co., Ltd. ResiTest8400 series.

ホール効果測定により得られた、各試料のキャリア密度及びホール移動度について表6に示す。また、各試料のホール移動度とキャリア密度の相関を図103に示す。図103は、縦軸にホール移動度[cm/V・s]をとり、横軸にキャリア密度[1/cm]をとる。また、図103にはPESPで作製された試料及びVDSPで作製された試料について、それぞれ近似曲線を表示している。Table 6 shows the carrier density and the Hall mobility of each sample obtained by the Hall effect measurement. Further, FIG. 103 shows the correlation between the hole mobility and the carrier density of each sample. In FIG. 103, the vertical axis represents the hole mobility [cm 2 / V · s], and the horizontal axis represents the carrier density [1 / cm 3 ]. Further, FIG. 103 shows approximate curves for a sample manufactured by PESP and a sample manufactured by VDSP, respectively.

Figure 2017115209
Figure 2017115209

図103に示すように、PESPで作製された試料、及びVDSPで作製された試料の両方において、キャリア密度とホール移動度は正の相関を示した。PESPで作製された試料は、ホール移動度のキャリア密度依存性が高く、キャリア密度が高い場合はホール移動度も高いが、キャリア密度の低下に伴いホール移動度も低下する。  As shown in FIG. 103, the carrier density and the hole mobility showed a positive correlation in both the sample manufactured by PESP and the sample manufactured by VDSP. A sample manufactured by PESP has a high carrier density dependence on hole mobility. When the carrier density is high, the hole mobility is also high, but the hole mobility is also reduced as the carrier density is reduced.

これに対して、VDSPで作製された試料は、ホール移動度のキャリア密度依存性が低く、キャリア密度が低い範囲において、PESPで作製された、同程度のキャリア密度の試料と比較して、高いホール移動度を有する。  On the other hand, the sample produced with VDSP has a low carrier density dependence on the hole mobility, and is higher than the sample with the same carrier density produced with PESP in the range where the carrier density is low. Has hole mobility.

上記実施の形態に示すように、CAAC−OSは、不純物および酸素欠損が少なく、キャリア密度の低い酸化物半導体である。上記の結果から、VDSPを用いてCAAC−OSを成膜することにより、キャリア密度の低いCAAC−OSを用いたトランジスタでも、比較的高い移動度を有することが示唆される。よって、VDSPを用いてCAAC−OS膜を成膜することで、当該CAAC−OS膜を活性層として用いたトランジスタでは、S値やオン電流の向上を図ることができる。  As described in the above embodiment, the CAAC-OS is an oxide semiconductor with few impurities and oxygen vacancies and low carrier density. From the above results, it is suggested that when a CAAC-OS film is formed using a VDSP, a transistor using the CAAC-OS with a low carrier density also has a relatively high mobility. Thus, by forming a CAAC-OS film using VDSP, the transistor using the CAAC-OS film as an active layer can improve the S value and the on-state current.

20 ナノクラスター
21 イオン
22 横成長部
23 粒子
25 劈開面
26 領域
27 連結部
32 基板
33 ターゲット
34 プラズマ
35a 平坦部
35b 凸部
100 容量素子
101 容量素子
102 容量素子
105 容量素子
110 絶縁体
112 導電体
112a 導電体
112b 導電体
114 絶縁体
116 導電体
122 導電体
124 導電体
130 絶縁体
132 絶縁体
134 絶縁体
150 絶縁体
200 トランジスタ
201 トランジスタ
202 トランジスタ
205 導電体
205a 導電体
205A 導電体
205b 導電体
205B 導電体
210 絶縁体
212 絶縁体
213 絶縁体
214 絶縁体
216 絶縁体
218 導電体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
230 酸化物
230a 酸化物
230A 酸化物
230b 酸化物
230B 酸化物
230c 酸化物
230d 酸化物
240a 導電体
240A 導電膜
240b 導電体
240B 導電層
241a 導電体
241b 導電体
244 導電体
245 バリア層
250 絶縁体
260 導電体
260a 導電体
260A 導電膜
260b 導電体
260c 導電体
270 絶縁体
280 絶縁体
282 絶縁体
283 絶縁体
284 絶縁体
285 絶縁体
286 絶縁体
290 レジストマスク
292 レジストマスク
294 レジストマスク
296 レジストマスク
300 トランジスタ
301 トランジスタ
302 トランジスタ
311 基板
312 半導体領域
314 絶縁体
316 導電体
318a 低抵抗領域
318b 低抵抗領域
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
358 絶縁体
400 半導体装置
401 CPUコア
402 パワーコントローラ
403 パワースイッチ
404 キャッシュ
405 バスインターフェース
406 デバッグインターフェース
407 制御装置
408 PC
409 パイプラインレジスタ
410 パイプラインレジスタ
411 ALU
412 レジスタファイル
421 パワーマネージメントユニット
422 周辺回路
423 データバス
500 半導体装置
501 記憶回路
502 記憶回路
503 記憶回路
504 回路
509 トランジスタ
510 トランジスタ
512 トランジスタ
513 トランジスタ
515 トランジスタ
517 トランジスタ
518 トランジスタ
519 容量素子
520 容量素子
540 配線
541 配線
542 配線
543 配線
544 配線
600 ターゲット
600a ターゲット
600b ターゲット
601 成膜室
610 バッキングプレート
610a バッキングプレート
610b バッキングプレート
620 ターゲットホルダ
620a ターゲットホルダ
620b ターゲットホルダ
622 ターゲットシールド
623 ターゲットシールド
630 マグネットユニット
630a マグネットユニット
630b マグネットユニット
630N マグネット
630N1 マグネット
630N2 マグネット
630S マグネット
632 マグネットホルダ
640 プラズマ
642 部材
660 基板
670 基板ホルダ
680a 磁力線
680b 磁力線
690 電源
691 電源
711 基板
712 回路領域
713 分離領域
714 分離線
715 チップ
750 電子部品
752 プリント基板
754 実装基板
755 リード
800 インバータ
810 OSトランジスタ
820 OSトランジスタ
831 信号波形
832 信号波形
840 破線
841 実線
850 OSトランジスタ
860 CMOSインバータ
900 半導体装置
901 電源回路
902 回路
903 電圧生成回路
903A 電圧生成回路
903B 電圧生成回路
903C 電圧生成回路
903D 電圧生成回路
903E 電圧生成回路
904 回路
905 電圧生成回路
905A 電圧生成回路
905E 電圧生成回路
906 回路
911 トランジスタ
912 トランジスタ
912A トランジスタ
912B トランジスタ
921 制御回路
922 トランジスタ
1901 筐体
1902 筐体
1903 表示部
1904 表示部
1905 マイクロフォン
1906 スピーカー
1907 操作キー
1908 スタイラス
1911 筐体
1912 筐体
1913 表示部
1914 表示部
1915 接続部
1916 操作キー
1921 筐体
1922 表示部
1923 キーボード
1924 ポインティングデバイス
1931 筐体
1932 冷蔵室用扉
1933 冷凍室用扉
1941 筐体
1942 筐体
1943 表示部
1944 操作キー
1945 レンズ
1946 接続部
1951 車体
1952 車輪
1953 ダッシュボード
1954 ライト
2200 撮像装置
2201 スイッチ
2202 スイッチ
2203 スイッチ
2210 画素部
2211 画素
2212 副画素
2212B 副画素
2212G 副画素
2212R 副画素
2220 光電変換素子
2230 画素回路
2231 配線
2247 配線
2248 配線
2249 配線
2250 配線
2253 配線
2254 フィルタ
2254B フィルタ
2254G フィルタ
2254R フィルタ
2255 レンズ
2256 光
2257 配線
2260 周辺回路
2270 周辺回路
2280 周辺回路
2290 周辺回路
2291 光源
2300 シリコン基板
2310 層
2320 層
2330 層
2340 層
2351 トランジスタ
2352 トランジスタ
2353 トランジスタ
2360 フォトダイオード
2361 アノード
2363 低抵抗領域
2370 プラグ
2371 配線
2372 配線
2373 配線
2379 絶縁体
2380 絶縁体
2381 絶縁体
2390a 導電体
2390b 導電体
2390c 導電体
2390d 導電体
2390e 導電体
2700 成膜装置
2701 大気側基板供給室
2702 大気側基板搬送室
2703a ロードロック室
2703b アンロードロック室
2704 搬送室
2705 基板加熱室
2706a 成膜室
2706b 成膜室
2706c 成膜室
2751 クライオトラップ
2752 ステージ
2761 カセットポート
2762 アライメントポート
2763 搬送ロボット
2764 ゲートバルブ
2765 加熱ステージ
2766 ターゲット
2766a ターゲット
2766b ターゲット
2767 ターゲットシールド
2767a ターゲットシールド
2767b ターゲットシールド
2768 基板ホルダ
2769 基板
2770 真空ポンプ
2771 クライオポンプ
2772 ターボ分子ポンプ
2780 マスフローコントローラ
2781 精製機
2782 ガス加熱機構
2784 可変部材
2790a マグネットユニット
2790b マグネットユニット
2791 電源
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3006 配線
3200 トランジスタ
3500 トランジスタ
4001 配線
4003 配線
4005 配線
4006 配線
4007 配線
4008 配線
4009 配線
4021 層
4023 層
4100 トランジスタ
4200 トランジスタ
4300 トランジスタ
4400 トランジスタ
4500 容量素子
4600 容量素子
5000 領域
5010 酸化窒化シリコン膜
5011 In−Ga−Zn酸化物膜
5012 In−Ga−Zn酸化物膜
20 Nanocluster 21 Ion 22 Horizontal growth portion 23 Particle 25 Cleaved surface 26 Region 27 Connection portion 32 Substrate 33 Target 34 Plasma 35a Flat portion 35b Convex portion 100 Capacitance element 101 Capacitance element 102 Capacitance element 105 Capacitance element 110 Insulator 112 Insulator 112 Conductor 112a Conductor 112b Conductor 114 Insulator 116 Conductor 122 Conductor 124 Conductor 130 Insulator 132 Insulator 134 Insulator 150 Insulator 200 Transistor 201 Transistor 202 Transistor 205 Conductor 205a Conductor 205A Conductor 205b Conductor 205B Conductor 210 Insulator 212 Insulator 213 Insulator 214 Insulator 216 Insulator 218 Conductor 220 Insulator 222 Insulator 224 Insulator 230 Oxide 230a Oxide 230A Oxide 230b Oxide 230B Oxidation 230c oxide 230d oxide 240a conductor 240A conductive film 240b conductor 240B conductive layer 241a conductor 241b conductor 244 conductor 245 barrier layer 250 insulator 260 conductor 260a conductor 260A conductor 260A conductor 260c conductor 270 insulator Body 280 insulator 282 insulator 283 insulator 284 insulator 285 insulator 286 insulator 290 resist mask 292 resist mask 294 resist mask 296 resist mask 300 transistor 301 transistor 302 transistor 311 substrate 312 semiconductor region 314 insulator 316 conductor 318a low Resistance region 318b Low resistance region 320 Insulator 322 Insulator 324 Insulator 326 Insulator 328 Conductor 330 Conductor 350 Insulator 352 Insulator 354 Insulator 356 Conductor 358 Insulator 400 Semiconductor device 401 CPU core 402 Power controller 403 Power switch 404 Cache 405 Bus interface 406 Debug interface 407 Controller 408 PC
409 Pipeline register 410 Pipeline register 411 ALU
412 register file 421 power management unit 422 peripheral circuit 423 data bus 500 semiconductor device 501 memory circuit 502 memory circuit 503 memory circuit 504 circuit 509 transistor 510 transistor 512 transistor 513 transistor 515 transistor 517 transistor 518 transistor 519 capacitor element 520 capacitor element 540 wiring 541 Wiring 542 Wiring 543 Wiring 544 Wiring 600 Target 600a Target 600b Target 601 Film forming chamber 610 Backing plate 610a Backing plate 610b Backing plate 620 Target holder 620a Target holder 620b Target holder 622 Target shield 623 Target shield 630 Magnet unit 6 0a Magnet unit 630b Magnet unit 630N Magnet 630N1 Magnet 630N2 Magnet 630S Magnet 632 Magnet holder 640 Plasma 642 Member 660 Substrate 670 Substrate holder 680a Magnetic field line 680b Magnetic field line 690 Power supply 691 Power source 711 Substrate 712 Circuit area 713 Separation area 714 Separation line 715 752 Printed circuit board 754 Mounting board 755 Lead 800 Inverter 810 OS transistor 820 OS transistor 831 Signal waveform 832 Signal waveform 840 Broken line 841 Solid line 850 OS transistor 860 CMOS inverter 900 Semiconductor device 901 Power supply circuit 902 Circuit 903 Voltage generation circuit 903A Voltage generation circuit 903B Voltage Generation circuit 903C Voltage generation circuit 9 3D voltage generation circuit 903E voltage generation circuit 904 circuit 905 voltage generation circuit 905A voltage generation circuit 905E voltage generation circuit 906 circuit 911 transistor 912 transistor 912A transistor 912B transistor 921 control circuit 922 transistor 1901 casing 1902 casing 1903 display section 1904 display section 1905 Microphone 1906 Speaker 1907 Operation key 1908 Stylus 1911 Case 1912 Case 1913 Display unit 1914 Display unit 1915 Connection unit 1916 Operation key 1921 Case 1922 Display unit 1923 Keyboard 1924 Pointing device 1931 Case 1932 Refrigeration room door 1933 Freezer compartment door 1941 Case 1942 Case 1943 Display unit 1944 Operation key 1945 Lens 1946 Connection unit 19 1 Car body 1952 Wheel 1953 Dashboard 1954 Light 2200 Imaging device 2201 Switch 2202 Switch 2203 Switch 2210 Pixel unit 2211 Pixel 2212 Subpixel 2212B Subpixel 2212G Subpixel 2212R Subpixel 2220 Photoelectric conversion element 2230 Pixel circuit 2231 Wiring 2247 Wiring 2248 Wiring 2249 Wiring 2250 wiring 2253 wiring 2254 filter 2254B filter 2254G filter 2254R filter 2255 lens 2256 light 2257 wiring 2260 peripheral circuit 2270 peripheral circuit 2280 peripheral circuit 2291 light source 2300 silicon substrate 2310 layer 2320 layer 2330 layer 2340 layer 2351 transistor 2352 transistor 2353 transistor 2360 Photodio 2361 Anode 2363 Low resistance region 2370 Plug 2371 Wiring 2372 Wiring 2373 Wiring 2379 Insulator 2380 Insulator 2390 Insulator 2390a Conductor 2390b Conductor 2390c Conductor 2390d Conductor 2390e Conductor 2700 Film formation apparatus 2701 Atmosphere side substrate supply chamber 2702 Atmosphere side substrate transfer chamber 2703a Load lock chamber 2703b Unload lock chamber 2704 Transfer chamber 2705 Substrate heating chamber 2706a Film formation chamber 2706b Film formation chamber 2706c Film formation chamber 2751 Cryo trap 2752 Stage 2761 Cassette port 2762 Alignment port 2863 Transfer robot 2764 Gate valve 2765 Heating stage 2766 Target 2766a Target 2766b Target 2767 Target shield 276 7a Target shield 2767b Target shield 2768 Substrate holder 2769 Substrate 2770 Vacuum pump 2771 Cryo pump 2772 Turbo molecular pump 2780 Mass flow controller 2781 Refiner 2784 Gas heating mechanism 2784 Variable member 2790a Magnet unit 2790b Magnet unit 2791 Power supply 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 wiring 3006 wiring 3200 transistor 3500 transistor 4001 wiring 4003 wiring 4005 wiring 4006 wiring 4007 wiring 4008 wiring 4009 wiring 4021 layer 4023 layer 4100 transistor 4200 transistor 4300 transistor 4400 transistor 4500 capacitor element 4600 capacitor element 5000 region 5010 Silicon nitride film 5011 In-Ga-Zn oxide film 5012 In-Ga-Zn oxide film

Claims (9)

成膜室と、前記成膜室内に配置されたターゲットと、基板と、を用いるスパッタリング法による酸化物の成膜方法であって、
前記基板を加熱し、
前記成膜室に酸素または/および希ガスを有する成膜ガスを供給した後、前記ターゲットと前記基板との間に電位差を与えることで、前記ターゲットの近傍に前記成膜ガスのイオンを有するプラズマを生成し、
前記成膜ガスのイオンが前記電位差によって、前記ターゲットに向けて加速され、
加速された前記成膜ガスのイオンが前記ターゲットを衝撃することで、前記ターゲットから前記ターゲットを構成する原子、および前記ターゲットを構成する原子の集合体を剥離させ、
前記原子及び前記原子の集合体は、前記基板上に堆積し、前記基板の加熱によりマイグレーションを起こして、複数の平板状のクラスターを形成し、
前記複数の平板状のクラスターの一つと、前記複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間の領域に、前記原子、および前記原子の集合体が入り込み、
前記原子、および前記原子の集合体が、前記平板状のクラスターの間の領域を横方向に成長することで、前記複数の平板状のクラスターの一つと、前記複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間に連結部が形成され、
前記連結部には歪みを有する結晶構造が形成されることを特徴とする酸化物の作製方法。
A method of forming an oxide by sputtering using a film formation chamber, a target disposed in the film formation chamber, and a substrate,
Heating the substrate;
After supplying a film formation gas containing oxygen or / and a rare gas to the film formation chamber, a plasma having ions of the film formation gas in the vicinity of the target by applying a potential difference between the target and the substrate. Produces
The ions of the deposition gas are accelerated toward the target by the potential difference,
The accelerated ions of the deposition gas bombard the target, so that the atoms constituting the target and the aggregate of atoms constituting the target are separated from the target,
The atoms and the aggregates of the atoms are deposited on the substrate, cause migration by heating the substrate, and form a plurality of plate-like clusters,
In the region between one of the plurality of plate-like clusters and another one of the plurality of plate-like clusters, the atoms and the aggregate of the atoms enter,
The atoms and the aggregates of the atoms grow laterally in a region between the plate-like clusters, so that one of the plurality of plate-like clusters and another of the plurality of plate-like clusters are separated. A connecting portion is formed between
A manufacturing method of an oxide, wherein a crystal structure having a strain is formed in the connecting portion.
請求項1において、
前記平板状のクラスターが積層して薄膜構造を形成することを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
A method for producing an oxide, characterized in that the flat clusters are stacked to form a thin film structure.
請求項1において、
前記ターゲットに含まれる酸化シリコンは2重量%未満であることを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
The method for producing an oxide, wherein silicon oxide contained in the target is less than 2% by weight.
請求項1において、
前記成膜ガスに含まれる水分子は0.5sccm以下であることを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
The method for producing an oxide, wherein water molecules contained in the deposition gas is 0.5 sccm or less.
請求項1において、
前記複数の平板状のクラスターの一つと、前記複数の平板状のクラスターの別の一つと、の間の領域に他の平板状のクラスターが形成されていないことを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
A method for producing an oxide, characterized in that no other flat cluster is formed in a region between one of the plurality of flat clusters and another one of the plurality of flat clusters. .
請求項1において、
前記ターゲットは、インジウムと、亜鉛と、元素M(元素Mはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ)と、酸素と、を有することを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
The target includes indium, zinc, an element M (the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin) and oxygen, and a method for manufacturing an oxide.
請求項6において、
前記ターゲットは、酸化インジウム、元素Mの酸化物及び酸化亜鉛を有する混合物のターゲットであることを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 6,
The method for producing an oxide, wherein the target is a target of a mixture including indium oxide, an oxide of element M, and zinc oxide.
請求項6において、
前記平板状のクラスターは、表面に前記元素M、前記亜鉛及び前記酸素からなる層が形成されていることを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 6,
The flat cluster has a layer formed of the element M, the zinc, and the oxygen formed on a surface thereof.
請求項1において、
前記平板状のクラスターは、表面がc軸に垂直な面になることを特徴とする酸化物の作製方法。
In claim 1,
The method for producing an oxide, wherein the flat cluster has a surface perpendicular to the c-axis.
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