KR20160016654A - 반도체 장치 - Google Patents

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KR20160016654A
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요시유키 코바야시
신페이 마츠다
다이스케 마츠바야시
히로유키 토미수
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 유전 이방성을 가지는 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터를 제공한다. 또는, 서브스레숄드 스윙값이 작은 트랜지스터를 제공한다. 또는, 노멀리-오프의 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 제공한다. 또는, 비도통 시의 누설 전류가 작은 트랜지스터를 제공한다.
절연체, 반도체, 및 도전체를 가지고, 반도체는 절연체를 개재하여 도전체와 서로 중첩되는 영역을 가지고, 영역은 영역 상면에 수직인 방향에서 상면에 평행한 방향보다 높은 유전율을 가지는 반도체 장치이다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 예를 들어 반도체, 트랜지스터, 및 반도체 장치에 관한 것이다. 또는, 본 발명은 예를 들어 반도체, 트랜지스터, 및 반도체 장치의 제작 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명은 예를 들어 반도체, 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 축전 장치, 기억 장치, 프로세서, 및 전자 기기에 관한 것이다. 또는, 반도체, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 기억 장치, 및 전자 기기의 제작 방법에 관한 것이다. 또는, 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 기억 장치, 및 전자 기기의 구동 방법에 관한 것이다.
다만, 본 발명의 일 형태는 상술한 기술 분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 개시(開示)된 발명의 일 형태의 기술 분야는 물건, 방법, 또는 제작 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다.
또한, 본 명세서 등에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용하여 기능할 수 있는 모든 장치를 가리킨다. 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 전기 광학 장치, 반도체 회로, 및 전자 기기는 반도체 장치를 가지는 경우가 있다.
절연 표면을 가지는 기판 위의 반도체를 이용하여 트랜지스터를 구성하는 기술이 주목을 받고 있다. 상기 트랜지스터는 집적 회로나 표시 장치와 같은 반도체 장치에 널리 응용되고 있다. 트랜지스터에 적용 가능한 반도체로서 실리콘이 알려져 있다.
트랜지스터의 반도체로서 사용되는 실리콘은 용도에 따라 비정질 실리콘과 다결정 실리콘을 구분하여 사용된다. 예를 들어, 대형 표시 장치를 구성하는 트랜지스터에 적용하는 경우, 대면적 기판으로의 성막 기술이 확립되어 있는 비정질 실리콘을 사용하는 것이 적합하다. 한편, 구동 회로와 화소 회로가 같은 기판 위에 형성되는 고기능 표시 장치를 구성하는 트랜지스터에 적용하는 경우에는 높은 전계 효과 이동도를 가지는 트랜지스터를 제작할 수 있는 다결정 실리콘을 사용하는 것이 적합하다. 다결정 실리콘의 형성 방법으로서는 비정질 실리콘에 고온의 가열 처리 또는 레이저 광 처리를 수행하는 방법이 알려져 있다.
근년에 들어, 산화물 반도체(대표적으로는 In-Ga-Zn 산화물)를 사용한 트랜지스터의 개발이 활발하다. 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 비정질 실리콘을 사용한 트랜지스터나 다결정 실리콘을 사용한 트랜지스터와는 다른 특징을 가진다. 예를 들어, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 적용한 표시 장치는 소비 전력이 낮은 것이 알려져 있다.
산화물 반도체는 스퍼터링법 등에 의하여 성막할 수 있기 때문에 대형 표시 장치를 구성하는 트랜지스터에 사용될 수 있다. 또한, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 가지기 때문에 구동 회로와 화소 회로가 같은 기판 위에 형성되는 고기능 표시 장치를 구현할 수 있다. 또한, 비정질 실리콘을 사용한 트랜지스터의 생산 설비의 일부를 개량하여 이용할 수 있기 때문에, 설비 투자를 줄일 수 있는 장점도 있다.
산화물 반도체의 역사는 길며 1985년에는 결정 In-Ga-Zn 산화물의 합성이 보고되었다(비특허문헌 1 참조). 또한, 1995년에 In-Ga-Zn 산화물이 상동(homologous) 구조를 취하고 InGaO3(ZnO)m(m은 자연수임)이라는 조성식으로 표기되는 것이 보고되었다(비특허문헌 2 참조).
또한, 1995년에는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터가 발명되어 그 전기 특성이 개시되었다(특허문헌 1 참조).
또한, 2014년에는 결정성 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터에 대한 보고가 있었다(비특허문헌 3 및 비특허문헌 4 참조). 거기서는 양산화가 가능하고 우수한 전기 특성과 신뢰성을 가지는 CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)를 사용한 트랜지스터가 보고되었다.
특표평11-505377
N. Kimizuka, and T. Mohri: Journal of Solid State Chemistry, 1985, volume 60, p.382-p.384 N. Kimizuka, M. Isobe, and M. Nakamura: Journal of Solid State Chemistry, 1995, volume 116, p.170-p.178 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.67 S. Yamazaki, T. Atsumi, K. Dairiki, K. Okazaki, and N. Kimizuka: ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2014, volume 3, Issue 9, p.Q3012-p.Q3022
유전 이방성을 가지는 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 서브스레숄드 스윙값이 작은 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 단채널 효과가 작은 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 노멀리-오프의 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 비도통 시의 누설 전류가 작은 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 전기 특성이 우수한 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 신뢰성이 높은 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 높은 주파수 특성을 가지는 트랜지스터를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 상기 트랜지스터를 가지는 반도체 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 상기 반도체 장치를 가지는 모듈을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 상기 반도체 장치 또는 상기 모듈을 가지는 전자 기기를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 신규 반도체 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 신규 모듈을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 신규 전자 기기를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한, 상술한 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 형태는 상술한 모든 과제를 해결할 필요는 없다. 또한, 상술한 것 외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 상술한 것 외의 과제가 추출될 수 있다.
(1)
본 발명의 일 형태는 절연체, 반도체, 및 도전체를 가지고, 반도체는 절연체를 개재(介在)하여 도전체와 서로 중첩되는 영역을 가지고, 영역은 영역 상면에 수직인 방향에서 상면에 평행한 방향보다 높은 유전율을 가지는 반도체 장치이다.
(2)
또는, 본 발명의 일 형태는 (1)에 있어서 영역이 결정부를 가지고, 결정부의 하나의 결정축이 배향성을 가지는 반도체 장치이다.
(3)
또는, 본 발명의 일 형태는 (1) 또는 (2)에 있어서 상면에 평행한 방향이 채널 폭 방향인 반도체 장치이다.
(4)
또는, 본 발명의 일 형태는 절연체, 반도체, 및 도전체를 가지고, 반도체는 절연체를 개재하여 도전체와 서로 중첩되는 영역을 가지고, 반도체는 결정 구조를 가지는 영역을 가지고, 결정 구조는 제 1 결정축과 제 2 결정축을 가지고, 결정 구조는 제 1 결정축의 방향의 유전율이 제 2 결정축의 방향의 유전율보다 높은 반도체 장치이다.
(5)
또는, 본 발명의 일 형태는 (4)에 있어서 제 1 결정축이 반도체 상면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 배향되어 있는 반도체 장치이다.
(6)
또는, 본 발명의 일 형태는 (1)~(5) 중 어느 하나에 있어서 반도체는 인듐, 아연, 및 원소 M(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석) 중에서 선택되는 1종류 이상을 가지는 산화물을 가지는 반도체 장치이다.
유전 이방성을 가지는 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 서브스레숄드 스윙값이 작은 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 단채널 효과가 작은 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 노멀리-오프의 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 비도통 시의 누설 전류가 작은 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 전기 특성이 우수한 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 신뢰성이 높은 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는, 높은 주파수 특성을 가지는 트랜지스터를 제공할 수 있다.
또는, 상기 트랜지스터를 가지는 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는, 상기 반도체 장치를 가지는 모듈을 제공할 수 있다. 또는, 상기 반도체 장치 또는 상기 모듈을 가지는 전자 기기를 제공할 수 있다. 또는, 신규 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는, 신규 모듈을 제공할 수 있다. 또는, 신규 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 상술한 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 형태는 상술한 모든 효과를 가질 필요는 없다. 또한, 상술한 것 외의 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 상술한 것 외의 효과가 추출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 상면도, 단면도, 및 사시도.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 단면도 및 띠구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 상면도 및 단면도.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 상면도 및 단면도.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 상면도 및 단면도.
도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 상면도 및 단면도.
도 8은 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 도시한 단면도.
도 9는 CAAC-OS의 단면에서의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지 및 CAAC-OS의 단면 모식도.
도 10은 CAAC-OS의 평면에서의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지.
도 11은 XRD에 의한 CAAC-OS 및 단결정 산화물 반도체의 구조 해석을 설명하기 위한 그래프.
도 12는 CAAC-OS의 전자 회절 패턴을 나타낸 도면.
도 13은 전자 조사에 의한 In-Ga-Zn 산화물의 결정부의 변화를 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 회로도.
도 15는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 16은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 17은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 18은 본 발명의 일 형태에 따른 기억 장치를 도시한 회로도.
도 19는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 20은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 21은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 22는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 상면도.
도 23은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 블록 다이어그램.
도 24는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 25는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 단면도.
도 26은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 사시도.
도 27은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 블록 다이어그램.
도 28은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 회로도.
도 29는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 회로도, 상면도, 및 단면도.
도 30은 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 도시한 회로도 및 단면도.
도 31은 본 발명의 일 형태에 따른 전자 기기를 도시한 도면.
도 32는 계산에 사용한 산화 아연의 구조, 및 In-Ga-Zn 산화물의 구조를 도시한 도면.
도 33은 계산에 사용한 산화 아연의 구조, 및 In-Ga-Zn 산화물의 구조를 도시한 도면.
도 34는 계산에 사용한 트랜지스터의 구조를 도시한 단면도.
도 35는 트랜지스터의 전기 특성을 나타낸 그래프.
도 36은 트랜지스터의 전기 특성을 나타낸 그래프.
도 37은 트랜지스터의 전기 특성을 나타낸 그래프.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 자세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 또한, 본 발명은 이하에 기재된 실시형태의 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다. 또한, 도면을 사용하여 발명의 구성을 설명함에 있어서 동일한 것을 가리키는 부호는 다른 도면들간에서도 공통적으로 사용된다. 또한, 동일한 것을 가리킬 때에는 해치 패턴을 동일하게 하고 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
또한, 도면에 있어서 크기, 막(층)의 두께, 또는 영역은 명료화를 위하여 과장되어 있을 수 있다.
또한, 본 명세서에서, '막'이라는 표기와 '층'이라는 표기는 서로 바뀔 수 있다.
또한, 전압은 임의의 전위와 기준 전위(예를 들어, 접지 전위(GND) 또는 소스 전위) 사이의 전위차를 가리키는 경우가 많다. 따라서, 전압을 전위라고 바꿔 말할 수 있다.
또한 '제 1','제 2'라고 부기되는 서수는 편의상 사용되는 것에 불과하고 공정 또는 적층의 순서를 나타내는 것은 아니다. 그러므로, 예를 들어 '제 1'을 '제 2'로 또는 '제 3' 등으로 적절히 바꿔 설명할 수 있다. 또한, 본 명세서 등에 기재된 서수와, 본 발명의 일 형태를 특정하기 위하여 사용되는 서수는 일치하지 않을 수 있다.
또한,'반도체'라고 표기되더라도 예를 들어, 도전성이 충분히 낮은 경우에는 '절연체'로서의 특성을 가지는 경우가 있다. 또한, '반도체'와 '절연체'는 그 경계가 애매하며 엄밀하게 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에 기재된 '반도체'는 '절연체'라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 기재된 '절연체'는 '반도체'라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
또한, '반도체'라고 표기되더라도 예를 들어, 도전성이 충분히 높은 경우에는 '도전체'로서의 특성을 가지는 경우가 있다. 또한, '반도체'와 '도전체'는 그 경계가 애매하며 엄밀하게 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에 기재된 '반도체'는 '도전체'라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 기재된 '도전체'는 '반도체'라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
또한, 반도체에서의 불순물이란, 예를 들어 반도체를 구성하는 주성분 외의 것을 말한다. 예를 들어, 농도가 0.1atomic% 미만의 원소는 불순물이다. 불순물이 포함됨으로써 예를 들어, 반도체에서 DOS(Density of State)의 형성이나 캐리어 이동도의 저하나 결정성의 저하 등이 일어날 수 있다. 반도체가 산화물 반도체인 경우, 반도체의 특성을 변화시키는 불순물로서는 예를 들어, 제 1 족 원소, 제 2 족 원소, 제 14 족 원소, 제 15 족 원소, 및 주성분 외의 전이 금속(transition metal) 등이 있으며 특히 예를 들어, 수소(물에도 포함됨), 리튬, 나트륨, 실리콘, 붕소, 인, 탄소, 질소 등이 있다. 산화물 반도체의 경우, 예를 들어 수소 등의 불순물이 혼입됨으로써 산소 결손이 형성되는 경우가 있다. 또한, 반도체가 실리콘인 경우, 반도체의 특성을 변화시키는 불순물로서 예를 들어, 산소, 수소를 제외한 제 1 족 원소, 제 2 족 원소, 제 13 족 원소, 제 15 족 원소 등이 있다.
또한, 본 명세서에서 A가 농도 B의 영역을 가진다고 기재하는 경우, 예를 들어 A의 소정의 영역에서 깊이 방향 전체의 농도가 B인 경우, A의 소정의 영역에서 깊이 방향의 농도의 평균값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 깊이 방향의 농도의 중앙값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 깊이 방향의 농도의 최대값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 깊이 방향의 농도의 최소값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 깊이 방향의 농도의 수렴값이 B인 경우, 측정상 A 자체의 값이라고 추정되는 값이 얻어지는 영역의 농도가 B인 경우 등을 포함한다.
또한, 본 명세서에서, A가 크기 B, 길이 B, 두께 B, 폭 B, 또는 거리 B의 영역을 가진다고 기재하는 경우, 예를 들어 A의 소정의 영역에서 전체의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리가 B인 경우, A의 소정의 영역에서 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 평균값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 중앙값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 최대값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 최소값이 B인 경우, A의 소정의 영역에서 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 수렴값이 B인 경우, 측정상 A 자체의 값이라고 추정되는 값이 얻어지는 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리가 B인 경우 등을 포함한다.
또한 채널 길이란, 예를 들어 트랜지스터의 상면도에서 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트 전극이 서로 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스(소스 영역 또는 소스 전극)와 드레인(드레인 영역 또는 드레인 전극) 사이의 거리를 말한다. 또한, 한 트랜지스터의 채널 길이는 모든 영역에서 같은 값이 되지 않을 수 있다. 즉, 한 트랜지스터의 채널 길이는 한 값으로 정해지지 않을 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서 채널 길이란, 채널이 형성되는 영역에서의 어느 한 값, 최대값, 최소값, 또는 평균값으로 한다.
채널 폭이란, 예를 들어 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트 전극이 서로 중첩되는 영역 또는 채널이 형성되는 영역에서 소스와 드레인이 마주보는 부분의 길이를 말한다. 또한, 한 트랜지스터의 채널 폭은 모든 영역에서 같은 값이 되지 않을 수 있다. 즉, 한 트랜지스터의 채널 폭은 한 값으로 정해지지 않을 수 있다. 그러므로 본 명세서에서 채널 폭이란, 채널이 형성되는 영역에서의 어느 한 값, 최대값, 최소값, 또는 평균값으로 한다.
또한, 트랜지스터의 구조에 따라서는 실제로 채널이 형성되는 영역에서의 채널 폭(이하 실효적인 채널 폭이라고 함)과, 트랜지스터의 상면도에서의 채널 폭(이하 외견상 채널 폭이라고 함)이 다른 경우가 있다. 예를 들어, 입체적인 구조를 가지는 트랜지스터에서는 실효적인 채널 폭이 트랜지스터의 상면도에서의 외견상 채널 폭보다 크게 되어, 이로 인한 영향을 무시할 수 없는 경우가 있다. 예를 들어, 미세하고 입체적인 구조를 가지는 트랜지스터에서는 반도체 상면에 형성되는 채널 영역의 비율에 대하여 반도체 측면에 형성되는 채널 영역의 비율이 크게 되는 경우가 있다. 이 경우에는 상면도에서의 외견상 채널 폭보다 실제로 채널이 형성되는 실효적인 채널 폭이 크게 된다.
그런데, 입체적인 구조를 가지는 트랜지스터에서는 실효적인 채널 폭을 실측하여 어림잡기 어려울 수 있다. 예를 들어, 설계 값으로부터 실효적인 채널 폭을 어림잡기 위해서는 가정으로서 반도체의 형상을 미리 알아야 한다. 따라서 반도체의 형상을 정확하게 알 수 없는 경우에는 실효적인 채널 폭을 정확하게 측정하기 어렵다.
그러므로, 본 명세서에서는 트랜지스터의 상면도에서 반도체와 게이트 전극이 서로 중첩되는 영역에서 소스와 드레인이 마주보는 부분의 길이를 가리키는 외견상 채널 폭을 'Surrounded Channel Width(SCW)'라고 부르는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서 단순히 채널 폭이라고 기재하는 경우에는 SCW 또는 외견상 채널 폭을 가리키는 경우가 있다. 또는, 본 명세서에서 단순히 채널 폭이라고 기재하는 경우에는 실효적인 채널 폭을 가리키는 경우가 있다. 또한, 채널 길이, 채널 폭, 실효적인 채널 폭, 외견상 채널 폭, SCW 등은 단면 TEM 이미지 등을 취득하여 이 이미지를 해석하는 등에 의하여 값을 결정할 수 있다.
또한, 트랜지스터의 전계 효과 이동도나 채널 폭당 전류값 등을 계산으로 구할 때, SCW를 사용하여 계산하는 경우가 있다. 이 경우, 실효적인 채널 폭을 사용하여 계산할 때와는 상이한 값이 될 수 있다.
또한, 본 명세서에서, 'A가 B보다 돌출된 형상을 가진다'라고 기재하는 경우, 상면도 또는 단면도에서 A의 적어도 하나의 단부가 B의 적어도 하나의 단부보다 외측에 위치하는 형상을 가지는 것을 뜻하는 경우가 있다. 따라서, 'A가 B보다 돌출된 형상을 가진다'라고 기재하는 경우, 예를 들어 상면도에 있어서 A의 하나의 단부가 B의 하나의 단부보다 외측에 위치하는 형상을 가진다고 바꿔 읽을 수 있다.
본 명세서에서 '평행'이란, 2개의 직선이 -10° 이상 10° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서, -5° 이상 5° 이하의 경우도 그 범주에 포함된다. 또한, '실질적으로 평행'이란, 2개의 직선이 -30° 이상 30° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 또한, '수직'이란, 2개의 직선이 80° 이상 100° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서, 85° 이상 95° 이하의 경우도 그 범주에 포함된다. 또한, '실질적으로 수직'이란, 2개의 직선이 60° 이상 120° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 삼방정 또는 능면체정(rhombohedral crystal system)은 육방정계에 포함된다.
<트랜지스터>
본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는 산화물 반도체를 사용한 n채널형 트랜지스터를 상정하여 설명한다. 다만, p채널형 트랜지스터에 적용하기 위하여 적절히 용어 등을 바꿔 읽어도 좋다.
<트랜지스터 구조>
도 1의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 1의 (A)는 상면도이고, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)를 일점 쇄선 A1-A2 및 일점 쇄선 A3-A4를 따라 자른 단면도이다. 또한, 도 1의 (A)에 도시된 상면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부의 구성 요소를 생략하였다.
도 1의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는, 기판(400) 위의 도전체(413); 기판(400) 위 및 도전체(413) 위의 볼록부를 가지는 절연체(402); 절연체(402)의 볼록부 위의 반도체(406); 반도체(406)의 상면 및 측면에 접촉하고 서로 간격을 두고 배치된 도전체(416a) 및 도전체(416b); 반도체(406) 위, 도전체(416a) 위, 및 도전체(416b) 위의 절연체(412); 절연체(412) 위의 도전체(404); 도전체(416a) 위, 도전체(416b) 위, 및 도전체(404) 위의 절연체(408); 및 절연체(408) 위의 절연체(418)를 가진다. 또한, 여기서는, 도전체(413)를 트랜지스터의 일부로 하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도전체(413)를 트랜지스터와는 독립된 구성 요소로 하여도 좋다.
또한, 도전체(404)는 A3-A4 단면에 있어서 절연체(412)를 개재하여 반도체(406)의 상면 및 측면과 면하는 영역을 가진다. 또한, 도전체(413)는 절연체(402)를 개재하여 반도체(406) 하면과 면하는 영역을 가진다. 또한, 절연체(402)가 볼록부를 가지지 않아도 된다. 또한, 도전체(413)를 가지지 않아도 된다. 또한, 절연체(408)를 가지지 않아도 된다. 또한, 절연체(418)를 가지지 않아도 된다.
또한, 반도체(406)는 트랜지스터의 채널 형성 영역으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(404)는 트랜지스터의 제 1 게이트 전극(프런트 게이트 전극이라고도 함)으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(413)는 트랜지스터의 제 2 게이트 전극(백 게이트 전극이라고도 함)으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(416a) 및 도전체(416b)는 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극으로서의 기능을 가진다. 또한, 절연체(408)는 배리어층으로서의 기능을 가진다. 절연체(408)는 예를 들어 산소 또는/및 수소를 블로킹하는 기능을 가진다. 또는, 절연체(408)는 예를 들어, 절연체(402), 절연체(412), 또는 절연체(418) 중 어느 것보다 산소 또는/및 수소를 블로킹하는 능력이 높다.
도 1의 (B)에 도시된 바와 같이, 반도체(406) 측면은 도전체(416a) 및 도전체(416b)와 접촉된다. 또한, 도전체(404)의 전계에 의하여, 반도체(406)를 전기적으로 둘러쌀 수 있다(도전체로부터 발생되는 전계에 의하여 반도체를 전기적으로 둘러싸는 트랜지스터의 구조를 surrounded channel(s-channel) 구조라고 부름). 따라서, 반도체(406) 전체(상면, 하면, 및 측면)에 채널이 형성된다. s-channel 구조에서는, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이에 큰 전류를 흘릴 수 있어, 도통 시의 전류(온 전류)를 높게 할 수 있다.
또한, 트랜지스터가 s-channel 구조를 가지는 경우, 반도체(406) 측면에도 채널이 형성된다. 따라서, 반도체(406)가 두꺼울수록 채널 영역은 커진다. 즉, 반도체(406)를 두껍게 할수록 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있다. 또한, 반도체(406)가 두꺼울수록 캐리어의 제어성이 높은 영역의 비율이 증가되기 때문에 서브스레숄드 스윙값을 작게 할 수 있다. 예를 들어, 두께가 10nm 이상, 바람직하게는 20nm 이상, 더 바람직하게는 40nm 이상, 더욱 바람직하게는 60nm 이상, 보다 바람직하게는 100nm 이상인 영역을 가지는 반도체(406)로 하면 좋다. 다만, 반도체 장치의 생산성이 저하되는 경우가 있기 때문에, 예를 들어 두께가 300nm 이하, 바람직하게는 200nm 이하, 더 바람직하게는 150nm 이하인 영역을 가지는 반도체(406)로 하면 좋다. 또한, 채널 형성 영역을 축소하는 경우에는 반도체(406)를 얇게 하는 것이 트랜지스터의 전기 특성을 더 향상시킬 수도 있다. 따라서, 반도체(406)의 두께를 10nm 미만으로 하여도 좋다.
s-channel 구조는 높은 온 전류를 얻을 수 있기 때문에 미세화된 트랜지스터에 적합한 구조라고 할 수 있다. 트랜지스터를 미세화할 수 있기 때문에 상기 트랜지스터를 가지는 반도체 장치를, 집적도가 높고 고밀도화된 반도체 장치로 할 수 있게 된다. 예를 들어, 트랜지스터는 채널 길이가 바람직하게는 40nm 이하, 더 바람직하게는 30nm 이하, 더욱 바람직하게는 20nm 이하인 영역을 가지고, 또한 채널 폭이 바람직하게는 40nm 이하, 더 바람직하게는 30nm 이하, 더욱 바람직하게는 20nm 이하인 영역을 가진다.
여기서 반도체(406)는 유전 이방성을 가지는 반도체이다. 도 1의 (C)에 도시된 바와 같이 반도체(406)가 직방체인 것으로 가정하면 반도체(406)는 예를 들어, 서로 직교하는 제 1 방향의 유전율, 제 2 방향의 유전율, 및 제 3 방향의 유전율을 가진다. 또한, 제 1 방향의 유전율은 반도체(406)의 상면 또는 하면에 평행한 방향의 유전율이다. 또한, 제 2 방향의 유전율은 반도체(406)의 상면 또는 하면에 평행한 방향의 유전율이다. 또한, 제 3 방향의 유전율은 반도체(406)의 상면 또는 하면에 수직인 방향의 유전율이다. 또한, 제 1 방향의 유전율은 채널 길이 방향의 유전율이고, 제 2 방향의 유전율은 채널 폭 방향의 유전율이고, 제 3 방향의 유전율은 두께 방향의 유전율이다.
예를 들어, 반도체(406)에서 제 1 방향의 유전율과 제 2 방향의 유전율과 제 3 방향의 유전율이 서로 다르다. 또는, 반도체(406)에서 제 1 방향의 유전율과 제 2 방향의 유전율이 서로 다르다. 또는, 반도체(406)에서 제 2 방향의 유전율과 제 3 방향의 유전율이 서로 다르다. 또는, 반도체(406)에서 제 1 방향의 유전율과 제 3 방향의 유전율이 서로 다르다.
또한, 반도체(406)에서 제 1 방향 또는/및 제 2 방향의 유전율이 제 3 방향의 유전율보다 낮은 것이 바람직하다. 이 이유는 다음과 같다.
도 1에 도시된 트랜지스터는 반도체(406) 상면에 수직인 방향, 즉 제 3 방향의 유전율이 높기 때문에 주로 반도체(406) 상면에 형성되는 채널이 깊게(두껍게) 된다. 채널이 깊어지면 반도체(406)의 깊이 방향 전체에서의 캐리어의 제어성이 높아지기 때문에 서브스레숄드 스윙값을 작게 할 수 있다. 또한, 이에 의하여 반도체(406)를 두껍게 할 수 있다. 반도체(406)를 두껍게 함으로써 반도체(406) 측면에 형성되는 채널을 크게 할 수 있다. 즉, 실효적인 채널 폭을 크게 할 수 있기 때문에 트랜지스터의 온 전류를 크게 할 수 있다.
따라서, 채널 형성 영역이 유전 이방성을 가짐으로써 전기 특성을 양호하게 할 수 있다.
또한, 다른 관점에서 봐도 반도체(406)는 제 1 방향 또는/및 제 2 방향의 유전율이 제 3 방향의 유전율보다 낮은 것이 바람직하다.
예를 들어, 드레인 전압을 높게 하면 공핍층이 넓어짐에 따라 핀치오프점이 소스 측으로 이동하여 실효적인 채널 길이가 짧아진다. 이것은 채널 길이 변조 효과라고 불린다. 채널 길이 변조 효과의 영향은 트랜지스터가 미세할수록 커진다.
또한, 미세화에 의하여 트랜지스터의 채널 길이가 축소되면 문턱 전압의 저하 등, 전기 특성의 악화가 일어난다. 이것은 단채널 효과라고 불린다. 예를 들어, 드레인 전압을 높게 하면 채널 형성 영역의 전위가 저하되기 때문에 문턱 전압이 저하된다. 이것은 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)이라고 불린다. 또한, 상술한 바와 같이 드레인 전압을 높게 해 가면 채널 길이 변조 효과에 의하여 실효적인 채널 길이가 짧아진다. 미세한 트랜지스터에서는 드레인으로부터의 전계에 의하여 형성되는 공핍층이 소스까지 도달됨으로 인하여 게이트로부터의 전계가 없어도 소스와 드레인 사이에 전류(드레인 전류라고도 함)가 흐른다. 이것은 펀치스루 현상이라고 불린다.
이와 같이 드레인 전압이 높아지면 트랜지스터의 전기 특성이 악화될 수 있다. 이러한 드레인 전압의 영향을 저감하기 위해서는 제 1 방향 또는/및 제 2 방향의 유전율이 낮은 반도체(406)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 절연체(402)는 과잉 산소를 포함하는 절연체인 것이 바람직하다.
예를 들어, 과잉 산소를 포함하는 절연체란, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 기능을 가지는 절연체를 말한다. 예를 들어, 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘층이란, 가열 처리 등에 의하여 산소를 방출할 수 있는 산화 실리콘층을 말한다. 따라서, 절연체(402)는 그 내부를 산소가 이동 가능한 절연체이다. 즉, 절연체(402)는 산소 투과성을 가지는 절연체로 하면 좋다. 예를 들어, 절연체(402)는 반도체(406)보다 산소 투과성이 높은 절연체로 하면 좋다.
과잉 산소를 포함하는 절연체는, 반도체(406) 내의 산소 결손을 저감하는 기능을 가지는 경우가 있다. 반도체(406) 내에서 산소 결손은 DOS를 형성하며 정공 트랩 등이 된다. 또한, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어감으로써 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 따라서, 반도체(406) 내의 산소 결손을 저감함으로써, 트랜지스터에 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
여기서, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 절연체는 TDS 분석에 있어서 표면 온도 100℃ 이상 700℃ 이하 또는 100℃ 이상 500℃ 이하의 범위에서 1×1018atoms/cm3 이상, 1×1019atoms/cm3 이상, 또는 1×1020atoms/cm3 이상의 산소(산소 원자수 환산)를 방출하는 경우도 있다.
이하에서, TDS 분석을 이용한 산소의 방출량의 측정 방법에 대하여 설명한다.
측정 시료를 TDS 분석하였을 때의 가스의 총 방출량은 방출 가스의 이온 강도의 적분 값에 비례한다. 그리고, 표준 시료와의 비교에 의하여 가스의 총 방출량을 계산할 수 있다.
예를 들어, 표준 시료인 소정의 밀도의 수소를 포함하는 실리콘 기판의 TDS 분석 결과, 및 측정 시료의 TDS 분석 결과로부터, 측정 시료의 산소 분자 방출량(NO2)을 아래의 식으로 구할 수 있다. 여기서, TDS 분석에 의하여 얻어지는 질량 전하비 32로 검출되는 가스는 모두 산소 분자에서 유래하는 것으로 가정한다. CH3OH의 질량 전하비는 32이지만 존재할 가능성이 낮으므로 여기서는 고려하지 않는다. 또한, 산소 원자의 동위체인 질량수 17의 산소 원자 및 질량수 18의 산소 원자를 포함하는 산소 분자에 대해서도 자연계에서의 존재 비율이 매우 미미하기 때문에 고려하지 않는다.
NO2=NH2/SH2×SO2×α
NH2는 표준 시료로부터 이탈된 수소 분자를 밀도로 환산한 값이다. SH2는 표준 시료를 TDS 분석하였을 때의 이온 강도의 적분 값이다. 여기서, 표준 시료의 기준값을 NH2/SH2로 한다. SO2는 측정 시료를 TDS 분석하였을 때의 이온 강도의 적분 값이다. α는 TDS 분석에서 이온 강도에 영향을 미치는 계수이다. 위의 식에 관한 자세한 사항에 대해서는 일본국 특개평6-275697 공보를 참조하기 바란다. 또한, 상기 산소의 방출량은 전자 과학 주식회사(ESCO Ltd.)제의 승온 이탈 분석 장치 EMD-WA1000S/W를 사용하여 표준 시료로서 예를 들어 1×1016atoms/cm2의 수소 원자를 포함하는 실리콘 기판을 사용하여 측정한다.
또한, TDS 분석에서 산소의 일부는 산소 원자로서 검출된다. 산소 분자와 산소 원자의 비율은 산소 분자의 이온화율로부터 산출할 수 있다. 또한, 상술한 α는 산소 분자의 이온화율을 포함하기 때문에, 산소 분자의 방출량을 평가함으로써 산소 원자의 방출량도 어림잡을 수 있다.
또한, NO2는 산소 분자의 방출량이다. 산소 원자로 환산한 방출량은 산소 분자의 방출량의 2배가 된다.
또는, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 절연체는 과산화 라디칼을 포함하는 경우도 있다. 구체적으로는 과산화 라디칼에 기인하는 스핀 밀도가 5×1017spins/cm3 이상인 경우를 말한다. 또한, 과산화 라디칼을 포함하는 절연체는 ESR에서 g값이 2.01 근방인 비대칭 신호를 가질 수도 있다.
또는, 과잉 산소를 포함하는 절연체는 산소가 과잉으로 포함된 산화 실리콘(SiOX(X>2))이어도 좋다. 산소가 과잉으로 포함된 산화 실리콘(SiOX(X>2))은 실리콘 원자수의 2배보다 많은 산소 원자를 단위 체적당 포함한다. 단위 체적당 실리콘 원자수 및 산소 원자수는 러더퍼드 후방 산란법(RBS: Rutherford Backscattering Spectrometry)에 의하여 측정된다.
또한, 도전체(413)에 소스 전극보다 낮은 전압 또는 높은 전압을 인가하여, 트랜지스터의 문턱 전압을 양방향 또는 음방향으로 변동시켜도 좋다. 예를 들어, 트랜지스터의 문턱 전압을 양방향으로 변동시킴으로써, 게이트 전압이 0V일 때에도 트랜지스터가 비도통 상태(오프 상태)가 되는 노멀리-오프가 실현될 수 있는 경우가 있다. 또한, 도전체(413)에 인가하는 전압은 가변(可變)이라도 좋고 고정되어도 좋다. 도전체(413)에 인가하는 전압이 가변인 경우, 전압을 제어하는 회로를 도전체(413)와 전기적으로 접속하여도 좋다.
반도체(406) 위아래에 반도체를 배치함으로써 트랜지스터의 전기 특성을 향상시킬 수 있는 경우가 있다. 이하에서는 반도체(406)와 그 위아래에 배치하는 반도체에 대하여 도 2를 사용하여 자세히 설명한다.
도 2의 (A)는 도 1의 (B)에 도시된 트랜지스터의 반도체(406) 근방을 확대한 채널 길이 방향의 단면도이다. 또한, 도 2의 (B)는 도 1의 (B)에 도시된 트랜지스터의 반도체(406) 근방을 확대한 채널 폭 방향의 단면도이다.
도 2의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는 절연체(402)와 반도체(406) 사이에 반도체(406a)가 배치된 구조를 가진다. 또한, 도전체(416a), 도전체(416b), 및 절연체(412)와 반도체(406) 사이에 반도체(406c)가 배치된다.
또는, 트랜지스터가 도 2의 (C) 및 (D)에 도시된 구조를 가져도 좋다.
도 2의 (C)는 도 1의 (B)에 도시된 트랜지스터의 반도체(406) 근방을 확대한 채널 길이 방향의 단면도이다. 또한, 도 2의 (D)는 도 1의 (B)에 도시된 트랜지스터의 반도체(406) 근방을 확대한 채널 폭 방향의 단면도이다.
도 2의 (C) 및 (D)에 도시된 트랜지스터는 절연체(402)와 반도체(406) 사이에 반도체(406a)가 배치된 구조를 가진다. 또한, 도전체(416a), 도전체(416b), 반도체(406), 반도체(406a), 및 절연체(402)와 절연체(412) 사이에 반도체(406c)가 배치된다.
반도체(406)는 예를 들어 인듐을 포함하는 산화물 반도체이다. 반도체(406)는 예를 들어 인듐을 포함하면 캐리어 이동도(전자 이동도)가 높아진다. 또한, 반도체(406)는 원소 M을 포함하면 바람직하다. 원소 M은 바람직하게는 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석 등으로 한다. 원소 M에 적용할 수 있는 원소로서는 상술한 것 외에 붕소, 실리콘, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐 등이 있다. 다만, 원소 M으로서 상술한 복수의 원소를 조합하여도 좋은 경우가 있다. 원소 M은, 예를 들어 산소와의 결합 에너지가 높은 원소이다. 예를 들어, 산소와의 결합 에너지가 인듐보다 높은 원소이다. 또는, 원소 M은 예를 들어 산화물 반도체의 에너지 갭을 크게 하는 기능을 가지는 원소이다. 또한, 반도체(406)는 아연을 포함하면 바람직하다. 산화물 반도체는 아연을 포함하면 결정화되기 쉬워질 수 있다.
다만, 반도체(406)는 인듐을 포함하는 산화물 반도체에 한정되지 않는다. 반도체(406)는 예를 들어, 아연 주석 산화물, 갈륨 주석 산화물 등, 인듐을 포함하지 않고 아연을 포함하는 산화물 반도체, 갈륨을 포함하는 산화물 반도체, 주석을 포함하는 산화물 반도체 등이어도 좋다.
반도체(406)로서는 예를 들어 에너지 갭이 큰 산화물을 사용한다. 반도체(406)의 에너지 갭은 예를 들어 2.5eV 이상 4.2eV 이하, 바람직하게는 2.8eV 이상 3.8eV 이하, 더 바람직하게는 3eV 이상 3.5eV 이하로 한다.
예를 들어, 반도체(406a) 및 반도체(406c)는 반도체(406)를 구성하는 산소 외의 원소 1종류 이상 또는 2종류 이상으로 구성되는 산화물 반도체이다. 반도체(406)를 구성하는 산소 외의 원소 1종류 이상 또는 2종류 이상으로 반도체(406a) 및 반도체(406c)가 구성되면 반도체(406a)와 반도체(406)의 계면, 및 반도체(406)와 반도체(406c)의 계면에서 결함 준위가 형성되기 어렵다.
반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)는 적어도 인듐을 포함하면 바람직하다. 또한, 반도체(406a)가 In-M-Zn 산화물인 경우, In과 M의 합을 100atomic%로 할 때 바람직하게는 In을 50atomic% 미만, M을 50atomic%보다 높게 하고, 더 바람직하게는 In을 25atomic% 미만, M을 75atomic%보다 높게 한다. 또한, 반도체(406)가 In-M-Zn 산화물인 경우, In과 M의 합을 100atomic%로 할 때 바람직하게는 In을 25atomic%보다 높게, M을 75atomic% 미만으로 하고, 더 바람직하게는 In을 34atomic%보다 높게, M을 66atomic% 미만으로 한다. 또한, 반도체(406c)가 In-M-Zn 산화물인 경우, In과 M의 합을 100atomic%로 할 때 바람직하게는 In을 50atomic% 미만, M을 50atomic%보다 높게 하고, 더 바람직하게는 In을 25atomic% 미만, M을 75atomic%보다 높게 한다. 또한, 반도체(406c)로서 반도체(406a)와 같은 종류의 산화물을 사용하여도 좋다. 다만, 반도체(406a) 또는/및 반도체(406c)가 인듐을 포함하지 않아도 되는 경우가 있다. 예를 들어, 반도체(406a) 또는/및 반도체(406c)가 산화 갈륨이어도 좋다. 또한, 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)에 포함되는 각 원소의 원자수가 간단한 정수(整數)비가 되지 않아도 된다.
반도체(406)로서는 반도체(406a) 및 반도체(406c)보다 전자 친화력이 큰 산화물을 사용한다. 예를 들어, 반도체(406)로서 반도체(406a) 및 반도체(406c)보다 전자 친화력이 0.07eV 이상 1.3eV 이하, 바람직하게는 0.1eV 이상 0.7eV 이하, 더 바람직하게는 0.15eV 이상 0.4eV 이하 높은 산화물을 사용한다. 또한, 전자 친화력은 진공 준위와 전도띠 바닥의 에너지의 차이다.
또한, 인듐 갈륨 산화물은 전자 친화력이 낮고 산소 블로킹성이 높다. 그러므로, 반도체(406c)가 인듐 갈륨 산화물을 포함하면 바람직하다. 갈륨 원자 비율[Ga/(In+Ga)]은 예를 들어 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상으로 한다.
이 때 게이트 전압을 인가하면, 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c) 중, 전자 친화력이 높은 반도체(406)에 채널이 형성된다.
여기서, 반도체(406a)와 반도체(406) 사이에, 반도체(406a)와 반도체(406)의 혼합 영역이 있는 경우가 있다. 또한, 반도체(406)와 반도체(406c) 사이에, 반도체(406)와 반도체(406c)의 혼합 영역이 있는 경우가 있다. 혼합 영역은 결함 준위 밀도가 낮다. 이 때문에, 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)의 적층체는, 각 계면 근방에서 에너지가 연속적으로 변화되는(연속 접합이라고도 함) 띠구조가 된다(도 2의 (E) 참조). 또한, 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)들의 각 계면을 명확히 판별할 수 없는 경우가 있다.
이 때 전자는 반도체(406a) 내 및 반도체(406c) 내가 아니라 주로 반도체(406) 내를 이동한다. 상술한 바와 같이, 반도체(406a)와 반도체(406)의 계면에서의 결함 준위 밀도, 및 반도체(406)와 반도체(406c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮게 함으로써 반도체(406) 내에서 전자의 이동이 저해되는 일이 적어져, 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있다.
트랜지스터의 온 전류는, 전자의 이동을 저해하는 요인을 저감할수록 높아질 수 있다. 예를 들어, 전자의 이동을 저해하는 요인이 없으면 전자가 효율적으로 이동할 것으로 추정된다. 전자의 이동은 예를 들어 채널 형성 영역의 물리적인 요철이 큰 경우에도 저해된다.
트랜지스터의 온 전류를 높이기 위해서는, 예를 들어 반도체(406)의 상면 또는 하면(피형성면, 여기서는 반도체(406a))의, 1μm×1μm의 범위에서의 2승평균평방근(RMS: Root Mean Square) 거칠기가 1nm 미만, 바람직하게는 0.6nm 미만, 더 바람직하게는 0.5nm 미만, 더욱 바람직하게는 0.4nm 미만으로 하면 좋다. 또한, 1μm×1μm의 범위에서의 평균 면 거칠기(Ra라고도 함)를 1nm 미만, 바람직하게는 0.6nm 미만, 더 바람직하게는 0.5nm 미만, 더욱 바람직하게는 0.4nm 미만으로 하면 좋다. 또한, 1μm×1μm의 범위에서의 최대 고저차(P-V라고도 함)를 10nm 미만, 바람직하게는 9nm 미만, 더 바람직하게는 8nm 미만, 더욱 바람직하게는 7nm 미만으로 하면 좋다. RMS 거칠기, Ra, 및 P-V는 주사형 프로브 현미경 시스템 SPA-500(SII Nano Technology Inc.제) 등을 사용하여 측정할 수 있다.
또는, 예를 들어 채널이 형성되는 영역 내의 결함 준위 밀도가 높은 경우에도 전자의 이동은 저해된다.
예를 들어, 반도체(406)가 산소 결손(VO라고도 표기함)을 가지는 경우, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어감으로써 도너 준위를 형성하는 경우가 있다. 이하에서는, 산소 결손의 사이트에 수소가 들어간 상태를 VOH라고 표기하는 경우가 있다. VOH는 전자를 산란시키기 때문에, 트랜지스터의 온 전류가 저하되는 요인이 된다. 또한, 산소 결손의 사이트는 수소보다 산소가 들어가면 더 안정된다. 따라서, 반도체(406) 내의 산소 결손을 저감함으로써, 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있는 경우가 있다.
또한, 채널이 형성되는 영역 내의 결함 준위 밀도가 높으면 트랜지스터의 전기 특성이 변동될 수 있다. 예를 들어, 결함 준위가 캐리어의 발생원이 되면, 트랜지스터의 문턱 전압이 변동될 수 있다.
반도체(406)의 산소 결손을 저감하기 위한 방법에는, 예를 들어 절연체(402)에 포함되는 과잉 산소를 반도체(406a)를 통하여 반도체(406)까지 이동시키는 방법 등이 있다. 이 경우, 반도체(406a)는 산소 투과성을 가지는 층(산소를 통과 또는 투과시키는 층)인 것이 바람직하다.
또한, 트랜지스터의 온 전류를 높이기 위해서는, 반도체(406c)의 두께가 작을수록 바람직하다. 예를 들어, 두께가 10nm 미만, 바람직하게는 5nm 이하, 더 바람직하게는 3nm 이하인 영역을 가지는 반도체(406c)로 하면 좋다. 한편, 반도체(406c)는 인접한 절연체를 구성하는 산소 외의 원소(수소, 실리콘 등)가 채널이 형성되는 반도체(406)에 들어가지 않도록 블로킹하는 기능을 가진다. 따라서, 반도체(406c)는 어느 정도의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 두께가 0.3nm 이상, 바람직하게는 1nm 이상, 더 바람직하게는 2nm 이상인 영역을 가지는 반도체(406c)로 하면 좋다. 또한, 절연체(402) 등으로부터 방출되는 산소의 외방(外方) 확산을 억제하기 위하여, 반도체(406c)는 산소를 블로킹하는 성질을 가지면 좋다.
또한, 신뢰성을 높이기 위해서는 반도체(406a)를 두껍게 하고 반도체(406c)를 얇게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 두께가 10nm 이상, 바람직하게는 20nm 이상, 더 바람직하게는 40nm 이상, 더욱 바람직하게는 60nm 이상인 영역을 가지는 반도체(406a)로 하면 좋다. 반도체(406a)의 두께를 두껍게 하면, 인접한 절연체와 반도체(406a)의 계면에서 채널이 형성되는 반도체(406)까지의 거리를 길게 할 수 있다. 다만, 반도체 장치의 생산성이 저하되는 경우가 있기 때문에, 예를 들어 두께가 200nm 이하, 바람직하게는 120nm 이하, 더 바람직하게는 80nm 이하인 영역을 가지는 반도체(406a)로 하면 좋다. 또한, 반도체(406c)의 유전율은 높은 것이 바람직하다. 반도체(406c)의 유전율을 높게 하면 도전체(404)로부터 반도체(406)에 인가되는 전계의 강도를 더 높일 수 있다. 또한, 반도체(406c)가 유전 이방성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체(406c)의 피형성면의 법선 방향의 유전율이 피형성면의 법선 방향에 수직인 방향의 유전율보다 높은 것이 바람직하다. 반도체(406c)의 피형성면의 법선 방향은 반도체(406)와 도전체(404)가 마주보는 방향이다. 따라서, 이 방향의 유전율을 높게 하면 도전체(404)로부터 반도체(406)에 인가되는 전계의 강도를 더 높일 수 있다. 즉, 트랜지스터의 전기 특성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 반도체(406)와 반도체(406a) 사이에, 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)으로 측정되는 실리콘 농도가 1×1016atoms/cm3 이상 1×1019atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 2×1018atoms/cm3 이하인 영역을 가진다. 또한, 반도체(406)와 반도체(406c) 사이에, SIMS로 측정되는 실리콘 농도가 1×1016atoms/cm3 이상 1×1019atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 2×1018atoms/cm3 이하인 영역을 가진다.
또한, 반도체(406)는 SIMS로 측정되는 수소 농도가 1×1016atoms/cm3 이상 2×1020atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 1×1019atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하인 영역을 가진다. 또한, 반도체(406)의 수소 농도를 저감하기 위하여 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 수소 농도를 저감하는 것이 바람직하다. 반도체(406a) 및 반도체(406c)는 SIMS로 측정되는 수소 농도가 1×1016atoms/cm3 이상 2×1020atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 1×1019atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하인 영역을 가진다. 또한, 반도체(406)는 SIMS로 측정되는 질소 농도가 1×1015atoms/cm3 이상 5×1019atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 5×1017atoms/cm3 이하인 영역을 가진다. 또한, 반도체(406)의 질소 농도를 저감하기 위하여 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 질소 농도를 저감하는 것이 바람직하다. 또한, 반도체(406a) 및 반도체(406c)는 SIMS로 측정되는 질소 농도가 1×1015atoms/cm3 이상 5×1019atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이상 5×1017atoms/cm3 이하인 영역을 가진다.
상술한 3층 구조는 일례에 불과하다. 예를 들어, 반도체(406a) 또는 반도체(406c)가 없는 2층 구조로 하여도 좋다. 또는, 반도체(406a) 위 또는 아래, 또는 반도체(406c) 위 또는 아래에, 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)로서 예시한 반도체 중 어느 하나를 가지는 4층 구조로 하여도 좋다. 또는, 반도체(406a) 위, 반도체(406a) 아래, 반도체(406c) 위, 반도체(406c) 아래 중 어느 2군데 이상에 반도체(406a), 반도체(406), 및 반도체(406c)로서 예시한 반도체 중 어느 하나 이상을 가지는 n층 구조(n은 5 이상의 정수임)로 하여도 좋다.
기판(400)으로서는, 예를 들어 절연체 기판, 반도체 기판, 또는 도전체 기판을 사용하면 좋다. 절연체 기판으로서는, 예를 들어 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 안정화 지르코니아 기판(이트리아 안정화 지르코니아 기판 등), 수지 기판 등을 들 수 있다. 또한, 반도체 기판으로서는, 예를 들어 실리콘, 저마늄 등으로 이루어진 단체(單體) 반도체 기판, 또는 탄소화 실리콘, 실리콘 저마늄, 비소화 갈륨, 인화 인듐, 산화 아연, 산화 갈륨 등으로 이루어진 화합물 반도체 기판 등이 있다. 또한 상술한 반도체 기판 내부에 절연체 영역을 가지는 반도체 기판, 예를 들어 SOI(silicon on insulator) 기판 등이 있다. 도전체 기판으로서는, 흑연 기판, 금속 기판, 합금 기판, 도전성 수지 기판 등이 있다. 또는, 금속의 질화물을 가지는 기판, 금속의 산화물을 가지는 기판 등이 있다. 또한 절연체 기판에 도전체 또는 반도체가 제공된 기판, 반도체 기판에 도전체 또는 절연체가 제공된 기판, 도전체 기판에 반도체 또는 절연체가 제공된 기판 등이 있다. 또는, 이들 기판에 소자가 제공된 것을 사용하여도 좋다. 기판에 제공되는 소자로서는, 용량 소자, 저항 소자, 스위칭 소자, 발광 소자, 기억 소자 등이 있다.
또한, 기판(400)으로서 가요성 기판을 사용하여도 좋다. 또한, 가요성 기판 위에 트랜지스터를 제공하는 방법으로서는, 비가요성 기판 위에 트랜지스터를 제작한 후에 트랜지스터를 박리하고, 가요성 기판인 기판(400)으로 전치(轉置)하는 방법도 있다. 이 경우, 비가요성 기판과 트랜지스터 사이에 박리층을 제공하면 좋다. 또한, 기판(400)으로서 섬유를 포함하는 시트, 필름, 또는 박(箔) 등을 사용하여도 좋다. 또한, 기판(400)이 신축성을 가져도 좋다. 또한, 기판(400)은, 접거나 잡아당기는 힘이 제거되면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질을 가져도 좋다. 또는 원래의 형상으로 되돌아가지 않는 성질을 가져도 좋다. 기판(400)의 두께는 예를 들어, 5μm 이상 700μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 500μm 이하, 더 바람직하게는 15μm 이상 300μm 이하로 한다. 기판(400)을 얇게 하면, 반도체 장치를 경량화할 수 있다. 또한, 기판(400)으로서 유리 등을 사용한 경우에도, 얇게 함으로써 신축성을 가지게 되거나, 접거나 잡아당기는 힘이 제거되면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질을 가지게 되는 경우가 있다. 그러므로, 낙하 등으로 인하여 기판(400) 위의 반도체 장치에 가해지는 충격 등을 완화시킬 수 있다. 즉, 튼튼한 반도체 장치를 제공할 수 있다.
가요성 기판인 기판(400)으로서는, 예를 들어 금속, 합금, 수지, 또는 유리, 또는 이들의 섬유 등을 사용할 수 있다. 가요성 기판인 기판(400)은, 선 팽창률이 낮을수록 환경에 기인하는 변형이 억제되므로 바람직하다. 가요성 기판인 기판(400)은 예를 들어 선 팽창률이 1×10-3/K 이하, 5×10-5/K 이하, 또는 1×10-5/K 이하인 재질로 하면 좋다. 수지로서는, 예를 들어 폴리에스터, 폴리올레핀, 폴리아마이드(나일론, 아라미드 등), 폴리이미드, 폴리카보네이트, 아크릴 등이 있다. 특히, 아라미드는 선 팽창률이 낮기 때문에 가요성 기판인 기판(400)으로서 바람직하다.
도전체(413)로서는, 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
절연체(402)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 절연체(402)로서는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 사용하면 좋다.
절연체(402)는, 기판(400)으로부터의 불순물 확산을 방지하는 역할을 하여도 좋다. 또한, 반도체(406)가 산화물 반도체인 경우, 절연체(402)는 반도체(406)에 산소를 공급하는 역할을 할 수 있다.
도전체(416a) 및 도전체(416b)로서는, 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
절연체(412)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 절연체(412)로서는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 사용하면 좋다.
도전체(404)로서는, 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
절연체(408)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 절연체(408)로서는 바람직하게는 산화 알루미늄, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다.
절연체(418)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 절연체(418)로서는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 사용하면 좋다.
또한, 도 1에서는 트랜지스터의 제 1 게이트 전극인 도전체(404)와 제 2 게이트 전극인 도전체(413)가 전기적으로 접속되지 않는 경우의 예를 도시하였지만, 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 구조는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(404)와 도전체(413)가 전기적으로 접속되는 구조로 하여도 좋다. 이와 같은 구성으로 하면 도전체(404)와 도전체(413)에 같은 전위가 공급되기 때문에 트랜지스터의 스위칭 특성을 향상시킬 수 있다. 또는, 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이, 도전체(413)를 가지지 않는 구조로 하여도 좋다.
또한, 도 4의 (A)는 트랜지스터의 상면도의 일례이다. 도 4의 (A)를 일점 쇄선 F1-F2 및 일점 쇄선 F3-F4를 따라 자른 단면도의 일례를 도 4의 (B)에 도시하였다. 또한, 도 4의 (A)에서는 이해하기 쉽게 하기 위하여 절연체 등 일부의 구성 요소를 생략하였다.
또한, 도 1 등에서는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(416a) 및 도전체(416b)가 반도체(406)의 상면 및 측면, 절연체(402) 상면 등과 접촉되는 경우의 예를 도시하였지만, 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 구조는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 도전체(416a) 및 도전체(416b)가 반도체(406) 상면에만 접촉되는 구조로 하여도 좋다.
또한, 도 4의 (B)에 도시된 바와 같이, 절연체(418) 위에 절연체(428)가 제공되어도 좋다. 절연체(428)는 상면이 평탄한 절연체인 것이 바람직하다. 또한, 절연체(428)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 절연체(428)로서는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 사용하면 좋다. 절연체(428)의 상면을 평탄화하기 위하여, 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)법 등으로 평탄화 처리를 수행하여도 좋다.
또는, 절연체(428)에는 수지를 사용하여도 좋다. 예를 들어, 폴리이미드, 폴리아마이드, 아크릴, 실리콘(silicone) 등을 포함하는 수지를 사용하면 좋다. 수지를 사용하면, 절연체(428)의 상면에 평탄화 처리를 수행하지 않아도 되는 경우가 있다. 또한, 수지를 사용하면 짧은 시간에 두꺼운 막을 형성할 수 있으므로 생산성을 높일 수 있다.
또한, 도 4의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 절연체(428) 위에 도전체(424a) 및 도전체(424b)가 제공되어도 좋다. 예를 들어, 도전체(424a) 및 도전체(424b)는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 절연체(428)가 개구를 가지고, 상기 개구를 통하여 도전체(416a)와 도전체(424a)가 전기적으로 접속되어도 좋다. 또한, 절연체(428)가 다른 개구를 가지고, 상기 개구를 통하여 도전체(416b)와 도전체(424b)가 전기적으로 접속되어도 좋다. 이 경우, 각 개구 내에 도전체(426a) 및 도전체(426b)가 제공되어도 좋다.
도전체(424a) 및 도전체(424b)로서는, 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
도 4에 도시된 트랜지스터에서 도전체(416a) 및 도전체(416b)는 반도체(406) 측면과 접촉되지 않는다. 따라서, 제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(404)로부터 반도체(406) 측면을 향하여 인가되는 전계가 도전체(416a) 및 도전체(416b) 등에 의하여 차폐되기 어려운 구조이다. 또한, 도전체(416a) 및 도전체(416b)는 절연체(402) 상면과 접촉되지 않는다. 그러므로, 절연체(402)로부터 방출되는 과잉 산소(산소)가 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 산화에 소비되지 않는다. 따라서, 반도체(406)의 산소 결손을 저감하기 위하여, 절연체(402)로부터 방출되는 과잉 산소(산소)를 효율적으로 이용할 수 있는 구조이다. 즉, 도 4에 도시된 구조의 트랜지스터는 높은 온 전류, 높은 전계 효과 이동도, 낮은 서브스레숄드 스윙값, 높은 신뢰성 등을 가지는 전기 특성이 우수한 트랜지스터이다.
도 5의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 5의 (A)는 상면도이고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A)를 일점 쇄선 G1-G2 및 일점 쇄선 G3-G4를 따라 자른 단면도이다. 또한, 도 5의 (A)에 도시된 상면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부의 구성 요소를 생략하였다.
트랜지스터는, 도 5에 도시된 바와 같이, 도전체(416a) 및 도전체(416b)를 가지지 않고 도전체(426a) 및 도전체(426b)와, 반도체(406)가 접촉되는 구조이어도 좋다. 이 경우, 반도체(406)에서 적어도 도전체(426a) 및 도전체(426b)와 접촉되는 영역에 저저항 영역(423a)(저저항 영역(423b))을 제공하면 바람직하다. 저저항 영역(423a) 및 저저항 영역(423b)은 예를 들어, 도전체(404) 등을 마스크로서 이용하여 반도체(406)에 불순물을 첨가함으로써 형성하면 좋다. 또한, 도전체(426a) 및 도전체(426b)가 반도체(406)의 구멍(관통) 또는 구덩이(비관통)에 제공되어도 좋다. 도전체(426a) 및 도전체(426b)가, 반도체(406)의 구멍 또는 구덩이에 제공됨으로써, 도전체(426a) 및 도전체(426b)와, 반도체(406)의 접촉 면적이 커지기 때문에 접촉 저항의 영향을 작게 할 수 있다. 즉, 트랜지스터의 온 전류를 높게 할 수 있다.
또한, 도 6의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터의 상면도 및 단면도이다. 도 6의 (A)는 상면도이고, 도 6의 (B)는 도 6의 (A)를 일점 쇄선 J1-J2 및 일점 쇄선 J3-J4를 따라 자른 단면도이다. 또한, 도 6의 (A)에 도시된 상면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부의 구성 요소를 생략하였다.
도 6의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는, 기판(600) 위의 도전체(604); 도전체(604) 위의 절연체(612); 절연체(612) 위의 반도체(606); 반도체(606)와 접촉되며 서로 간격을 두고 배치된 도전체(616a) 및 도전체(616b); 및 반도체(606) 위, 도전체(616a) 위, 및 도전체(616b) 위의 절연체(618)를 가진다. 또한, 도전체(604)는 절연체(612)를 개재하여 반도체(606) 하면과 면한다. 또한, 절연체(612)가 볼록부를 가져도 좋다. 또한, 기판(600)과 도전체(604) 사이에 절연체를 가져도 좋다. 상기 절연체에 대해서는 절연체(402)나 절연체(408)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 절연체(618)를 가지지 않아도 된다.
또한, 반도체(606)는 트랜지스터의 채널 형성 영역으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(604)는 트랜지스터의 제 1 게이트 전극(프런트 게이트 전극이라고도 함)으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(616a) 및 도전체(616b)는 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극으로서의 기능을 가진다.
또한, 절연체(618)는 과잉 산소를 포함하는 절연체인 것이 바람직하다.
또한, 기판(600)에 대해서는 기판(400)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도전체(604)에 대해서는 도전체(404)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 절연체(612)에 대해서는 절연체(412)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 반도체(606)에 대해서는 반도체(406)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도전체(616a) 및 도전체(616b)에 대해서는 도전체(416a) 및 도전체(416b)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 절연체(618)에 대해서는 절연체(402)에 관한 기재를 참조하기 바란다.
또한, 절연체(618) 위에는 표시 소자가 제공되어도 좋다. 예를 들어, 화소 전극, 액정층, 공통 전극, 발광층, 유기 EL층, 양극, 음극 등이 제공되어도 좋다. 표시 소자는 예를 들어 도전체(616a) 등과 접속된다.
또한, 도 7의 (A)는 트랜지스터의 상면도의 일례이다. 도 7의 (A)를 일점 쇄선 K1-K2 및 일점 쇄선 K3-K4를 따라 자른 단면도의 일례를 도 7의 (B)에 도시하였다. 또한, 도 7의 (A)에서는 이해하기 쉽게 하기 위하여 절연체 등 일부의 구성 요소를 생략하였다.
또한, 반도체 위에, 채널 보호막으로서 기능할 수 있는 절연체를 배치하여도 좋다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 도전체(616a)와 반도체(606) 사이, 및 도전체(616b)와 반도체(606) 사이에 절연체(620)를 배치하여도 좋다. 이 경우, 도전체(616a)(도전체(616b))와 반도체(606)는 절연체(620) 내의 개구를 통하여 접속된다. 절연체(620)에 대해서는 절연체(618)에 관한 기재를 참조하면 좋다.
또한, 도 6의 (B)나 도 7의 (B)에서, 절연체(618) 위에 도전체(613)를 배치하여도 좋다. 그 경우의 예를 도 8의 (A) 및 (B)에 도시하였다. 또한, 도전체(613)에 대해서는 도전체(413)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도전체(613)에는 도전체(604)와 같은 전위나 같은 신호가 공급되어도 좋고, 다른 전위나 신호가 공급되어도 좋다. 예를 들어, 도전체(613)에 일정한 전위를 공급하여 트랜지스터의 문턱 전압을 제어하여도 좋다. 즉, 도전체(613)는 제 2 게이트 전극으로서의 기능을 가질 수 있다. 또한, 도전체(613) 등에 의하여 s-channel구조를 형성하여도 좋다.
<산화물 반도체의 구조>
이하에서는 반도체(406) 및 반도체(606) 등의 반도체에 적용할 수 있는 산화물 반도체의 구조에 대하여 설명한다.
산화물 반도체는 예를 들어, 비단결정 산화물 반도체와 단결정 산화물 반도체로 나뉜다. 또는 산화물 반도체는, 예를 들어 결정성 산화물 반도체와 비정질 산화물 반도체로 나뉜다.
또한, 비단결정 산화물 반도체로서는 CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor), 다결정 산화물 반도체, 미결정 산화물 반도체, 비정질 산화물 반도체 등이 있다. 또한, 결정성 산화물 반도체로서는 단결정 산화물 반도체, CAAC-OS, 다결정 산화물 반도체, 미결정 산화물 반도체 등이 있다.
우선, CAAC-OS에 대하여 설명한다.
CAAC-OS는 c축이 배향된 복수의 결정부(나노 결정(nc: nanocrystal)이라고도 함)를 가지는 산화물 반도체 중 하나이다.
투과 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)에 의하여 CAAC-OS의 명시야상 및 회절 패턴의 복합 해석상(고분해능 TEM 이미지라고도 함)을 관찰하면 복수의 나노 결정이 확인된다. 그러나, 고분해능 TEM 이미지에서도 나노 결정들의 명확한 경계, 즉 결정립계(그레인 바운더리(grain boundary)라고도 함)는 확인되지 않는다. 그러므로, CAAC-OS는 결정립계에 기인한 전자 이동도 저하가 일어나기 어렵다고 할 수 있다.
예를 들어, 도 9의 (A)와 같이 시료면에 실질적으로 평행한 방향으로부터 CAAC-OS의 단면의 고분해능 TEM 이미지를 관찰한다. 여기서는 구면 수차 보정(spherical aberration corrector) 기능을 이용하여 TEM 이미지를 관찰한다. 또한, 특히 구면 수차 보정 기능을 이용한 고분해능 TEM 이미지를 이하에서는 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지라고 한다. 또한, Cs 보정 고분해능 TEM 이미지는 예를 들어, 원자 분해능 분석 전자 현미경(JEM-ARM200F, JEOL Ltd.제) 등에 의하여 얻을 수 있다.
도 9의 (B)는 도 9의 (A) 중 영역 (1)을 확대한 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지이다. 도 9의 (B)를 보면, 나노 결정에서 금속 원자가 층상으로 배열되어 있는 것이 확인된다. 금속 원자의 각 층은 CAAC-OS의 막이 형성되는 면(피형성면이라고도 함) 또는 상면의 요철을 반영한 형상을 가지고, CAAC-OS의 피형성면 또는 상면에 평행하게 배열된다.
도 9의 (B)에서 CAAC-OS는 특징적인 원자 배열을 가진다. 도 9의 (C)에는 특징적인 원자 배열을 보조선으로 나타내었다. 도 9의 (B) 및 (C)로부터, 하나의 나노 결정의 크기는 1nm 이상 3nm 이하 정도이며, 나노 결정과 나노 결정의 기울기에 의하여 생긴 틈의 크기는 0.8nm 정도임을 알 수 있다.
여기서, Cs 보정 고분해능 TEM 이미지로부터 기판(5120) 위의 CAAC-OS의 나노 결정(5100)의 배치를 모식적으로 도시하면, 벽돌 또는 블록이 쌓인 것과 같은 구조가 된다(도 9의 (D) 참조). 도 9의 (C)에서 관찰된 나노 결정과 나노 결정 사이에서 기울기가 생긴 부분은 도 9의 (D) 중 영역(5161)에 상당한다.
또한, 예를 들어 도 10의 (A)와 같이 시료면에 실질적으로 수직인 방향으로부터 CAAC-OS의 평면의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지를 관찰한다. 도 10의 (B), 도 10의 (C), 및 도 10의 (D)는 각각 도 10의 (A) 중 영역 (1), 영역 (2), 및 영역 (3)을 확대한 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지이다. 도 10의 (B)~(D)로부터, 나노 결정은 금속 원자가 삼각형, 사각형, 또는 육각형으로 배열되어 있는 것이 확인된다. 그러나, 상이한 나노 결정들 사이에서 금속 원자의 배열에 규칙성은 보이지 않는다.
예를 들어, X선 회절(XRD: X-Ray Diffraction) 장치를 이용하여 out-of-plane법에 의하여 InGaZnO4의 결정을 포함하는 CAAC-OS의 구조 해석을 수행하면, 도 11의 (A)에 나타낸 바와 같이 회절각(2θ)이 31° 근방일 때 피크가 나타나는 경우가 있다. 이 피크는 InGaZnO4의 결정의 (009)면에 기인하기 때문에, CAAC-OS의 결정이 c축 배향성을 가지고 c축이 CAAC-OS의 피형성면 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되는 것을 확인할 수 있다.
또한, out-of-plane법에 의하여 InGaZnO4의 결정을 가지는 CAAC-OS의 구조 해석을 수행하면, 2θ가 31° 근방일 때 나타나는 피크에 더하여 2θ가 36° 근방일 때도 피크가 나타나는 경우가 있다. 2θ가 36° 근방일 때 나타나는 피크는 CAAC-OS 내의 일부에, c축 배향성을 가지지 않는 결정이 포함되는 것을 뜻한다. CAAC-OS는 2θ가 31° 근방일 때 피크가 나타나고 2θ가 36° 근방일 때 피크가 나타나지 않는 것이 바람직하다.
한편, c축에 실질적으로 수직인 방향으로부터 X선을 입사시키는 in-plane법에 의하여 CAAC-OS의 구조 해석을 수행하면, 2θ가 56° 근방일 때 피크가 나타난다. 이 피크는 InGaZnO4의 결정의 (110)면에 기인한다. CAAC-OS의 경우에는, 2θ를 56° 근방에 고정하고 시료면의 법선 벡터를 축(φ축)으로 시료를 회전시키면서 분석(φ 스캔)을 수행하여도 도 11의 (B)와 같이 명확한 피크가 나타나지 않는다. 한편, InGaZnO4의 단결정 산화물 반도체의 경우에는, 2θ를 56° 근방에 고정하고 φ 스캔을 수행하면, 도 11의 (C)와 같이 (110)면과 등가인 결정면에 기인하는 피크가 6개 관찰된다. 따라서, XRD를 이용한 구조 해석으로부터, CAAC-OS는 a축 및 b축의 배향이 불규칙한 것이 확인된다.
다음에, 도 12의 (A)는 CAAC-OS인 In-Ga-Zn 산화물에 대하여 시료면에 평행한 방향으로부터 프로브 직경이 300nm인 전자 빔을 입사시켰을 때의 회절 패턴(제한 시야 투과 전자 회절 패턴이라고 함)이다. 도 12의 (A)에서 예를 들어, InGaZnO4의 결정의 (009)면에 기인한 스폿이 확인된다. 따라서, 전자 회절에 의해서도, CAAC-OS에 포함되는 나노 결정이 c축 배향성을 가지고 c축이 CAAC-OS의 피형성면 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되는 것을 알 수 있다. 한편, 도 12의 (B)는 같은 시료에 대하여 프로브 직경이 300nm인 전자 빔을 시료면에 수직인 방향으로부터 입사시켰을 때의 회절 패턴이다. 도 12의 (B)를 보면 알 수 있듯이 고리 형상의 회절 패턴이 확인된다. 따라서, 전자 회절에 의해서도, CAAC-OS에 포함되는 나노 결정의 a축 및 b축이 배향성을 가지지 않음을 알 수 있다. 또한, 도 12의 (B) 중 제 1 고리는 InGaZnO4의 결정의 (010)면 및 (100)면 등에 기인하는 것으로 생각된다. 또한, 도 12의 (B) 중 제 2 고리는 (110)면 등에 기인하는 것으로 생각된다.
이와 같이, 각 나노 결정의 c축이 피형성면 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되어 있기 때문에, CAAC-OS를 CANC(C-Axis Aligned nanocrystals)를 가지는 산화물 반도체라고 할 수도 있다.
CAAC-OS는 불순물 농도가 낮은 산화물 반도체이다. 불순물은 수소, 탄소, 실리콘, 전이 금속 원소 등, 산화물 반도체의 주성분 외의 원소이다. 산화물 반도체를 구성하는 금속 원소보다 산소와의 결합력이 강한 원소(특히 실리콘 등)는 산화물 반도체로부터 산소를 빼앗음으로써 산화물 반도체의 원자 배열을 흐트러지게 하여 결정성이 저하되는 요인이 된다. 또한, 철이나 니켈 등 중금속, 아르곤, 이산화탄소 등은 원자 반경(또는 분자 반경)이 크기 때문에, 산화물 반도체 내부에 포함되면 산화물 반도체의 원자 배열을 흐트러지게 하여 결정성이 저하되는 요인이 된다. 또한, 산화물 반도체에 포함되는 불순물은 캐리어 트랩이나 캐리어 발생원이 될 수 있다.
또한, CAAC-OS는 결함 준위 밀도가 낮은 산화물 반도체이다. 예를 들어, 산화물 반도체 내의 산소 결손은 캐리어 트랩이 되거나, 수소를 포획함으로써 캐리어 발생원이 될 수 있다.
또한, CAAC-OS를 사용한 트랜지스터는 가시광이나 자외광의 조사에 의한 전기 특성의 변동이 작다.
다음에, 미결정 산화물 반도체에 대하여 설명한다.
미결정 산화물 반도체는 고분해능 TEM 이미지에서 결정부가 확인되는 영역과 결정부가 명확히 확인되지 않는 영역을 가진다. 미결정 산화물 반도체에 포함되는 결정부의 크기는 1nm 이상 100nm 이하, 또는 1nm 이상 10nm 이하인 경우가 많다. 특히 1nm 이상 10nm 이하, 또는 1nm 이상 3nm 이하의 미결정인 나노 결정을 가지는 산화물 반도체를 nc-OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)라고 한다. 또한, nc-OS는 예를 들어, 고분해능 TEM 이미지에서 결정립계가 명확히 확인되지 않는 경우가 있다. 또한, 나노 결정은 CAAC-OS에 포함되는 나노 결정과 기원이 같을 가능성이 있다. 그러므로, 이하에서는 nc-OS의 결정부를 나노 결정이라고 하는 경우가 있다.
nc-OS는 미소한 영역(예를 들어 1nm 이상 10nm 이하의 영역, 특히 1nm 이상 3nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 가진다. 또한, nc-OS는 상이한 나노 결정들 사이에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다. 따라서, 막 전체에서 배향성이 확인되지 않는다. 그러므로, 분석 방법에 따라서는 nc-OS와 비정질 산화물 반도체를 구별하지 못하는 경우가 있다. 예를 들어, 나노 결정보다 큰 직경을 가지는 X선을 이용하는 XRD 장치로 out-of-plane법에 의하여 nc-OS의 구조 해석을 수행하면, 결정면을 나타내는 피크가 검출되지 않는다. 또한, 나노 결정보다 프로브 직경이 큰(예를 들어, 50nm 이상) 전자 빔을 이용하여 관찰한 nc-OS의 전자 회절 패턴(제한 시야 전자 회절 패턴이라고 함)에는 헤일로(halo) 패턴과 같은 회절 패턴이 관측된다. 한편, 프로브 직경이 나노 결정의 크기와 가깝거나 나노 결정보다 작은 전자 빔을 이용하여 관찰한 nc-OS의 나노빔 전자 회절 패턴에는 스폿이 관측된다. 또한, nc-OS의 나노빔 전자 회절 패턴에는, 휘도가 높은 환상(고리 형상)의 영역이 관측되는 경우가 있다. 또한, nc-OS에 대하여 나노빔 전자 회절을 수행하면 고리 형상의 영역에 복수의 스폿이 관측되는 경우도 있다.
이와 같이 각 나노 결정들 사이에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는 것으로부터, nc-OS를 NANC(Non-Aligned nanocrystals)를 포함하는 산화물 반도체라고 할 수도 있다.
nc-OS는 비정질 산화물 반도체보다 규칙성이 높은 산화물 반도체이다. 따라서, nc-OS는 비정질 산화물 반도체보다 결함 준위 밀도가 낮다. 다만, nc-OS는 상이한 나노 결정들 사이에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다. 그러므로, nc-OS는 CAAC-OS에 비하여 결함 준위 밀도가 높다.
다음에, 비정질 산화물 반도체에 대하여 설명한다.
비정질 산화물 반도체는 막 내에서의 원자 배열이 불규칙하고 결정부를 가지지 않는 산화물 반도체이다. 석영과 같은 무정형 상태를 가지는 산화물 반도체가 그 일례이다.
비정질 산화물 반도체는 고분해능 TEM 이미지에서 결정부를 확인할 수 없다.
XRD 장치를 이용하여 out-of-plane법에 의하여 비정질 산화물 반도체의 구조 해석을 수행하면, 결정면을 나타내는 피크가 검출되지 않는다. 또한, 비정질 산화물 반도체에 대하여 전자 회절을 수행하면 헤일로 패턴이 관측된다. 또한, 비정질 산화물 반도체에 대하여 나노빔 전자 회절을 수행하면 스폿이 관측되지 않고 헤일로 패턴이 관측된다.
비정질 구조에 대해서는 다양한 견해가 제시되고 있다. 예를 들어, 원자 배열에 전혀 질서성이 없는 구조를 완전한 비정질 구조(completely amorphous structure)라고 하는 경우가 있다. 또한, 최근접 원자간 거리 또는 제 2 근접 원자간 거리까지 질서성이 있고, 또한 장거리 질서성이 없는 구조를 비정질 구조라고 하는 경우도 있다. 따라서, 가장 엄격한 정의에 따르면, 조금이라도 원자 배열에 질서성이 있는 산화물 반도체를 비정질 산화물 반도체라고 할 수는 없다. 또한, 적어도, 장거리 질서성이 있는 산화물 반도체를 비정질 산화물 반도체라고 할 수는 없다. 따라서, 예를 들어, 결정부를 가지는 CAAC-OS 및 nc-OS를 비정질 산화물 반도체 또는 완전한 비정질 산화물 반도체라고 할 수는 없다.
또한, 산화물 반도체는 nc-OS와 비정질 산화물 반도체 사이의 물성을 나타내는 구조를 가지는 경우가 있다. 이러한 구조를 가지는 산화물 반도체를, 특히 a-like OS(amorphous-like Oxide Semiconductor)라고 한다.
a-like OS는 고분해능 TEM 이미지에서 공동(보이드(void)라고도 함)이 관찰되는 경우가 있다. 또한, 고분해능 TEM 이미지에서는 결정부가 명확히 확인되는 영역과 결정부가 확인되지 않는 영역이 있다.
이하에서는, 산화물 반도체의 구조에 따른 전자 조사의 영향의 차이에 대하여 설명한다.
a-like OS, nc-OS, 및 CAAC-OS를 준비한다. 시료는 모두 In-Ga-Zn 산화물이다.
먼저, 각 시료의 고분해능 단면 TEM 이미지를 취득한다. 고분해능 단면 TEM 이미지를 보면, 이들 모든 시료가 결정부를 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 각 시료의 결정부의 크기를 계측한다. 도 13은 각 시료의 결정부(22군데~45군데)의 평균 크기의 변화를 조사한 예이다. 도 13을 보면, a-like OS는 전자의 누적 조사량에 따라 결정부가 커지는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 도 13에 (1)로 나타낸 바와 같이 TEM에 의한 관찰 초기에는 1.2nm 정도의 크기였던 결정부가 누적 조사량이 4.2×108e-/nm2에 달할 때에는 2.6nm 정도의 크기까지 성장하였음을 알 수 있다. 한편, nc-OS 및 CAAC-OS는 전자 조사 시작 시부터 전자의 누적 조사량이 4.2×108e-/nm2에 달할 때까지의 범위에서 전자의 누적 조사량에 상관없이 결정부의 크기에 변화가 없다는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 도 13에 (2)로 나타낸 바와 같이 TEM에 의한 관찰의 경과에 상관없이, 결정부의 크기는 1.4nm 정도임을 알 수 있다. 또한, 도 13에 (3)으로 나타낸 바와 같이 TEM에 의한 관찰의 경과에 상관없이, 결정부의 크기는 2.1nm 정도임을 알 수 있다.
이와 같이, a-like OS는 TEM에 의한 관찰 정도의 미량의 전자 조사에 의하여 결정화가 일어나, 결정부가 성장될 수 있는 경우가 있다. 한편, 양질의 nc-OS 및 CAAC-OS에서는, TEM에 의한 관찰 정도의 미량의 전자 조사에 의한 결정화는 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있다.
또한, a-like OS 및 nc-OS의 결정부의 크기는 고분해능 TEM 이미지를 이용하여 계측할 수 있다. 예를 들어, InGaZnO4의 결정은 층상 구조를 가지며, In-O층들 사이에 Ga-Zn-O층을 2층 가진다. InGaZnO4의 결정의 단위 격자는 In-O층 3층과 Ga-Zn-O층 6층의 총 9층이 c축 방향으로 층상으로 중첩된 구조를 가진다. 따라서, 이들 근접한 층 사이의 간격은 (009)면의 격자면 간격(d값이라고도 함)과 같은 정도이며, 그 값은 결정 구조 해석으로부터 0.29nm로 산출된다. 그러므로, 고분해능 TEM 이미지에서의 격자 줄무늬(lattice fringe)에 착안하여 격자 줄무늬의 간격이 0.28nm 이상 0.30nm 이하인 부분에서는 각 격자 줄무늬가 InGaZnO4의 결정의 a-b면에 대응한다.
또한, 산화물 반도체는 구조에 따라 밀도가 다른 경우가 있다. 예를 들어, 어떤 산화물 반도체의 조성을 알면, 이 조성과 같은 조성에서의 단결정 산화물 반도체의 밀도와 비교함으로써, 그 산화물 반도체의 구조를 추정할 수 있다. 예를 들어, 단결정 산화물 반도체의 밀도에 대하여, a-like OS의 밀도는 78.6% 이상 92.3% 미만이 된다. 또한, 예를 들어, 단결정 산화물 반도체의 밀도에 대하여, nc-OS의 밀도 및 CAAC-OS의 밀도는 92.3% 이상 100% 미만이 된다. 또한, 단결정 산화물 반도체의 밀도에 대하여 밀도가 78% 미만이 되는 산화물 반도체는 성막하는 것 자체가 곤란하다.
상술한 것에 대하여 구체적인 예를 들어서 설명한다. 예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]을 만족시키는 산화물 반도체에 있어서 능면체정 구조를 가지는 단결정 InGaZnO4의 밀도는 6.357g/cm3이다. 따라서 예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]을 만족시키는 산화물 반도체에 있어서, a-like OS의 밀도는 5.0g/cm3 이상 5.9g/cm3 미만이다. 또한, 예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]을 만족시키는 산화물 반도체에 있어서 nc-OS의 밀도 및 CAAC-OS의 밀도는 5.9g/cm3 이상 6.3g/cm3 미만이다.
또한, 같은 조성을 가지는 단결정 산화물 반도체가 존재하지 않는 경우가 있다. 이 경우에는 조성이 다른 단결정 산화물 반도체를 임의의 비율로 조합함으로써, 원하는 조성을 가지는 단결정 산화물 반도체의 밀도에 상당하는 밀도를 산출할 수 있다. 원하는 조성을 가지는 단결정 산화물 반도체의 밀도는 조성이 다른 단결정 산화물 반도체를 조합하는 비율에 대하여 가중 평균을 이용하여 산출하면 좋다. 다만, 밀도를 산출할 때는 가능한 한 적은 종류의 단결정 산화물 반도체를 조합하는 것이 바람직하다.
또한, 산화물 반도체는 예를 들어, 비정질 산화물 반도체, a-like OS, 미결정 산화물 반도체, CAAC-OS 중 2종류 이상을 가지는 적층막이어도 좋다.
불순물 농도가 낮고 결함 준위 밀도가 낮은(산소 결손이 적은) 산화물 반도체는 캐리어 밀도를 낮출 수 있는 경우가 있다. 따라서, 이와 같은 산화물 반도체를 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체라고 한다. CAAC-OS 및 nc-OS는 a-like OS 및 비정질 산화물 반도체보다 불순물 농도가 낮고 결함 준위 밀도가 낮다. 즉, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체가 되기 쉽다. 따라서, CAAC-OS 또는 nc-OS를 사용한 트랜지스터는 문턱 전압이 음이 되는 전기 특성(노멀리-온이라고도 함)을 가지기 어렵다. 또한, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체는 캐리어 트랩이 적다. 그러므로, CAAC-OS 또는 nc-OS를 사용한 트랜지스터는 전기 특성의 변동이 작고 신뢰성이 높은 트랜지스터가 된다. 또한, 산화물 반도체의 캐리어 트랩에 포획된 전하는 방출될 때까지 걸리는 시간이 길어 마치 고정 전하처럼 행동하는 경우가 있다. 그러므로 불순물 농도가 높고 결함 준위 밀도가 높은 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 전기 특성이 불안정하게 될 수 있다.
<반도체 장치>
이하에서는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 예시한다.
<회로>
이하에서는 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 이용한 회로의 일례에 대하여 설명한다.
<CMOS 인버터>
도 14의 (A)의 회로도는 p채널형 트랜지스터(2200)와 n채널형 트랜지스터(2100)를 직렬로 접속하고 각각의 게이트를 접속한, 소위 CMOS 인버터의 구성을 도시한 것이다.
<반도체 장치의 구조 1>
도 15는 도 14의 (A)에 대응하는 반도체 장치의 단면도이다. 도 15에 도시된 반도체 장치는 트랜지스터(2200) 및 트랜지스터(2100)를 가진다. 또한, 트랜지스터(2100)는 트랜지스터(2200) 상방에 배치된다. 또한, 트랜지스터(2100)로서 도 1에 도시된 트랜지스터를 사용한 경우의 예를 도시하였지만 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3, 도 4, 또는 도 5에 도시된 트랜지스터 등을 트랜지스터(2100)로서 사용하여도 좋다. 따라서, 트랜지스터(2100)에 대해서는 상술한 트랜지스터에 관한 기재를 적절히 참조하기 바란다.
도 15에 도시된 트랜지스터(2200)는 반도체 기판(450)을 사용한 트랜지스터이다. 트랜지스터(2200)는 반도체 기판(450) 내의 영역(472a), 반도체 기판(450) 내의 영역(472b), 절연체(462), 및 도전체(454)를 가진다.
트랜지스터(2200)에서 영역(472a) 및 영역(472b)은 소스 영역 및 드레인 영역으로서의 기능을 가진다. 또한, 절연체(462)는 게이트 절연체로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(454)는 게이트 전극으로서의 기능을 가진다. 따라서, 도전체(454)에 인가하는 전위에 의하여 채널 형성 영역의 저항을 제어할 수 있다. 즉, 도전체(454)에 인가하는 전위에 의하여 영역(472a)과 영역(472b) 사이의 도통·비도통을 제어할 수 있다.
반도체 기판(450)으로서는, 예를 들어 실리콘, 저마늄 등으로 이루어진 단체 반도체 기판, 또는 탄소화 실리콘, 실리콘 저마늄, 비소화 갈륨, 인화 인듐, 산화 아연, 산화 갈륨 등으로 이루어진 화합물 반도체 기판 등을 사용하면 좋다. 바람직하게는 반도체 기판(450)으로서 단결정 실리콘 기판을 사용한다.
반도체 기판(450)으로서는 n형 도전형을 부여하는 불순물을 가지는 반도체 기판을 사용한다. 다만, 반도체 기판(450)으로서 p형 도전형을 부여하는 불순물을 가지는 반도체 기판을 사용하여도 좋다. 이 경우 트랜지스터(2200)가 되는 영역에는 n형 도전형을 부여하는 불순물을 가지는 웰(well)을 배치하면 좋다. 또는, 반도체 기판(450)이 i형이어도 좋다.
반도체 기판(450) 상면은 (110)면을 가지는 것이 바람직하다. 이로써 트랜지스터(2200)의 온 특성을 향상시킬 수 있다.
영역(472a) 및 영역(472b)은 p형 도전형을 부여하는 불순물을 가지는 영역이다. 이로써 트랜지스터(2200)는 p채널형 트랜지스터를 구성한다.
또한, 트랜지스터(2200)는 영역(460) 등에 의하여 인접한 트랜지스터와 분리된다. 영역(460)은 절연성을 가지는 영역이다.
도 15에 도시된 반도체 장치는 절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 도전체(480a), 도전체(480b), 도전체(480c), 도전체(478a), 도전체(478b), 도전체(478c), 도전체(476a), 도전체(476b), 도전체(474a), 도전체(474b), 도전체(474c), 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 도전체(496d), 도전체(498a), 도전체(498b), 도전체(498c), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494)를 가진다.
절연체(464)는 트랜지스터(2200) 위에 배치된다. 또한, 절연체(466)는 절연체(464) 위에 배치된다. 또한, 절연체(468)는 절연체(466) 위에 배치된다. 또한, 절연체(490)는 절연체(468) 위에 배치된다. 또한, 트랜지스터(2100)는 절연체(490) 위에 배치된다. 또한, 절연체(492)는 트랜지스터(2100) 위에 배치된다. 또한, 절연체(494)는 절연체(492) 위에 배치된다.
절연체(464)는 영역(472a)에 도달되는 개구와, 영역(472b)에 도달되는 개구와, 도전체(454)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(480a), 도전체(480b), 또는 도전체(480c)로 매립된다.
또한, 절연체(466)는 도전체(480a)에 도달되는 개구와, 도전체(480b)에 도달되는 개구와, 도전체(480c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(478a), 도전체(478b), 또는 도전체(478c)로 매립된다.
또한, 절연체(468)는 도전체(478b)에 도달되는 개구와, 도전체(478c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(476a) 또는 도전체(476b)로 매립된다.
또한, 절연체(490)는 트랜지스터(2100)의 채널 형성 영역과 중첩되는 개구와, 도전체(476a)에 도달되는 개구와, 도전체(476b)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(474a), 도전체(474b), 또는 도전체(474c)로 매립된다.
도전체(474a)는 트랜지스터(2100)의 게이트 전극으로서의 기능을 가져도 좋다. 또는, 예를 들어, 도전체(474a)에 일정한 전위를 인가함으로써 트랜지스터(2100)의 문턱 전압 등의 전기 특성을 제어하여도 좋다. 또는, 예를 들어, 도전체(474a)와 트랜지스터(2100)의 게이트 전극으로서의 기능을 가지는 도전체(404)를 전기적으로 접속하여도 좋다. 이로써 트랜지스터(2100)의 온 전류를 크게 할 수 있다. 또한, 펀치스루 현상을 억제할 수 있기 때문에 트랜지스터(2100)의 포화 영역에서의 전기 특성을 안정하게 할 수 있다.
또한, 절연체(492)는 트랜지스터(2100)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽인 도전체(416b)를 통하여 도전체(474b)에 도달되는 개구와, 트랜지스터(2100)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽인 도전체(416a)에 도달되는 개구와, 트랜지스터(2100)의 게이트 전극인 도전체(404)에 도달되는 개구와, 도전체(474c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 또는 도전체(496d)로 매립된다. 다만, 각 개구는 트랜지스터(2100) 등의 구성 요소 중 어느 것을 더 관통하는 경우가 있다.
또한, 절연체(494)는 도전체(496a)에 도달되는 개구와, 도전체(496b) 및 도전체(496d)에 도달되는 개구와, 도전체(496c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(498a), 도전체(498b), 또는 도전체(498c)로 매립된다.
절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494)로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 절연체(401)로서는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 사용하면 좋다.
절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494) 중 하나 이상은 수소 등의 불순물 및 산소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체를 가지는 것이 바람직하다. 트랜지스터(2100) 근방에 수소 등의 불순물 및 산소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체를 배치함으로써 트랜지스터(2100)의 전기 특성을 안정하게 할 수 있다.
수소 등의 불순물 및 산소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체로서는 예를 들어 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다.
도전체(480a), 도전체(480b), 도전체(480c), 도전체(478a), 도전체(478b), 도전체(478c), 도전체(476a), 도전체(476b), 도전체(474a), 도전체(474b), 도전체(474c), 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 도전체(496d), 도전체(498a), 도전체(498b), 및 도전체(498c)로서는 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
또한, 도 16에 도시된 반도체 장치는 도 15에 도시된 반도체 장치와 트랜지스터(2200)의 구조만이 다르다. 따라서, 도 16에 도시된 반도체 장치에 대해서는 도 15에 도시된 반도체 장치에 관한 기재를 참조하기 바란다. 구체적으로는 도 16은, 반도체 장치에서 트랜지스터(2200)를 Fin형 트랜지스터로 하는 경우를 도시한 것이다. 트랜지스터(2200)를 Fin형 트랜지스터로 함으로써 실효적인 채널 폭이 증대되어 트랜지스터(2200)의 온 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 게이트 전극의 전계의 기여를 크게 할 수 있기 때문에 트랜지스터(2200)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 17에 도시된 반도체 장치는 도 15에 도시된 반도체 장치와 트랜지스터(2200)의 구조만이 다르다. 따라서, 도 17에 도시된 반도체 장치에 대해서는 도 15에 도시된 반도체 장치에 관한 기재를 참조하기 바란다. 구체적으로는 도 17은, 반도체 장치에서 트랜지스터(2200)가 SOI 기판에 제공되는 경우를 도시한 것이다. 도 17에는 절연체(452)에 의하여 영역(456)이 반도체 기판(450)과 분리되어 있는 구조를 도시하였다. SOI 기판을 사용함으로써 펀치스루 현상 등을 억제할 수 있기 때문에 트랜지스터(2200)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연체(452)는 반도체 기판(450)의 일부를 절연체화하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 절연체(452)로서는 산화 실리콘을 사용할 수 있다.
도 15~도 17에 도시된 반도체 장치에서는 반도체 기판을 사용하여 p채널형 트랜지스터를 제작하고 그 상방에 n채널형 트랜지스터를 제작하기 때문에 소자의 점유 면적을 축소할 수 있다. 즉, 반도체 장치의 집적도를 높게 할 수 있다. 또한, n채널형 트랜지스터와 p채널형 트랜지스터를 동일한 반도체 기판을 사용하여 제작하는 경우에 비하여 공정을 간략화할 수 있기 때문에 반도체 장치의 생산성을 높일 수 있다. 또한, 반도체 장치의 수율을 높게 할 수 있다. 또한, p채널형 트랜지스터는 LDD(Lightly Doped Drain) 영역, 얕은 트렌치(shallow trench) 구조, 스트레인 엔지니어링(strain engineering) 등의 복잡한 공정을 생략 가능한 경우가 있다. 그러므로, n채널형 트랜지스터를 반도체 기판을 사용하여 제작하는 경우에 비하여 생산성 및 수율을 높일 수 있는 경우가 있다.
<CMOS 아날로그 스위치>
또한, 도 14의 (B)의 회로도는 트랜지스터(2100) 및 트랜지스터(2200) 각각의 소스와 드레인을 접속한 구성을 도시한 것이다. 이러한 구성으로 함으로써, 소위 CMOS 아날로그 스위치로서 기능시킬 수 있다.
<기억 장치 1>
본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터를 사용한, 전력이 공급되지 않는 상황에서도 기억 내용을 유지할 수 있고, 기록 횟수에도 제한이 없는 반도체 장치(기억 장치)의 일례를 도 18에 도시하였다.
도 18의 (A)에 도시된 반도체 장치는 제 1 반도체를 사용한 트랜지스터(3200), 제 2 반도체를 사용한 트랜지스터(3300), 및 용량 소자(3400)를 가진다. 또한, 트랜지스터(3300)로서는 상술한 트랜지스터를 사용할 수 있다.
트랜지스터(3300)는 오프 전류가 작은 트랜지스터인 것이 바람직하다. 트랜지스터(3300)로서는 예를 들어, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 사용할 수 있다. 트랜지스터(3300)의 오프 전류가 작은 것에 의하여, 반도체 장치에서의 특정의 노드에 기억 내용이 장기간 유지될 수 있다. 즉, 리프레시 동작을 할 필요가 없어지거나, 또는 리프레시 동작의 빈도를 매우 적게 할 수 있게 되기 때문에, 소비 전력이 낮은 반도체 장치가 된다.
도 18의 (A)에서 제 1 배선(3001)은 트랜지스터(3200)의 소스와 전기적으로 접속되고, 제 2 배선(3002)은 트랜지스터(3200)의 드레인과 전기적으로 접속된다. 또한, 제 3 배선(3003)은 트랜지스터(3300)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제 4 배선(3004)은 트랜지스터(3300)의 게이트와 전기적으로 접속된다. 그리고, 트랜지스터(3200)의 게이트와 트랜지스터(3300)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(3400)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 제 5 배선(3005)은 용량 소자(3400)의 다른 쪽 전극에 전기적으로 접속된다.
도 18의 (A)에 도시된 반도체 장치는 트랜지스터(3200)의 게이트의 전위를 유지할 수 있다는 특성을 가지기 때문에 다음과 같이 정보의 기록, 유지, 판독이 가능하다.
정보의 기록 및 유지에 대하여 설명한다. 먼저, 제 4 배선(3004)의 전위를 트랜지스터(3300)가 도통 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(3300)를 도통 상태로 한다. 이로써, 제 3 배선(3003)의 전위가, 트랜지스터(3200)의 게이트 및 용량 소자(3400)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 노드(FG)에 공급된다. 즉, 트랜지스터(3200)의 게이트에는, 소정의 전하가 공급된다(기록). 여기서는, 두 가지의 다른 전위 레벨을 부여하는 전하(이하, Low 레벨 전하, High 레벨 전하라고 함) 중 어느 하나가 공급된다. 그 후, 제 4 배선(3004)의 전위를 트랜지스터(3300)가 비도통 상태가 되는 전위로 하여 트랜지스터(3300)를 비도통 상태로 함으로써, 노드(FG)에 전하가 유지된다(유지).
트랜지스터(3300)의 오프 전류는 매우 작기 때문에, 노드(FG)의 전하는 장기간 유지된다.
다음에, 정보의 판독에 대하여 설명한다. 제 1 배선(3001)에 소정의 전위(정(定)전위)를 공급한 상태에서 제 5 배선(3005)에 적절한 전위(판독 전위)를 공급하면, 제 2 배선(3002)의 전위는 노드(FG)에 유지된 전하량에 따른 전위가 된다. 이 이유는, 트랜지스터(3200)를 n채널형 트랜지스터로 하면, 트랜지스터(3200)의 게이트에 High 레벨 전하가 공급되는 경우의 외견상 문턱 전압(Vth_H)이 트랜지스터(3200)의 게이트에 Low 레벨 전하가 공급되는 경우의 외견상 문턱 전압(Vth_L)보다 낮게 되기 때문이다. 여기서 외견상 문턱 전압이란, 트랜지스터(3200)를 '도통 상태'로 하는 데 필요한 제 5 배선(3005)의 전위를 말한다. 따라서, 제 5 배선(3005)의 전위를 Vth_H와 Vth_L 사이의 전위(V0)으로 함으로써 노드(FG)에 공급된 전하를 판별할 수 있다. 예를 들어, 기록에 있어서 노드(FG)에 High 레벨 전하가 공급된 경우에는 제 5 배선(3005)의 전위가 V0(>Vth_H)이 되면 트랜지스터(3200)는 '도통 상태'가 된다. 한편, 노드(FG)에 Low 레벨 전하가 공급된 경우에는 제 5 배선(3005)의 전위가 V0(<Vth_L)이 되더라도 트랜지스터(3200)는 '비도통 상태'를 유지한다. 따라서, 제 2 배선(3002)의 전위를 판별함으로써, 노드(FG)에 유지된 정보를 판독할 수 있다.
또한, 메모리 셀을 어레이 형태로 배치하는 경우, 판독 시에 원하는 메모리 셀의 정보를 판독할 필요가 있다. 다른 메모리 셀의 정보를 판독하지 않기 위해서는, 노드(FG)에 공급된 전하에 상관없이 트랜지스터(3200)가 '비도통 상태'가 되는 전위, 즉 Vth_H보다 낮은 전위를 제 5 배선(3005)에 공급하면 좋다. 또는, 노드(FG)에 공급된 전하에 상관없이 트랜지스터(3200)가 '도통 상태'가 되는 전위, 즉 Vth_L보다 높은 전위를 제 5 배선(3005)에 공급하면 좋다.
<반도체 장치의 구조 2>
도 19는 도 18의 (A)에 대응하는 반도체 장치의 단면도이다. 도 19에 도시된 반도체 장치는 트랜지스터(3200), 트랜지스터(3300), 및 용량 소자(3400)를 가진다. 또한, 트랜지스터(3300) 및 용량 소자(3400)는 트랜지스터(3200) 상방에 배치된다. 또한, 트랜지스터(3300)에 대해서는 상술한 트랜지스터(2100)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 트랜지스터(3200)에 대해서는 도 15에 도시된 트랜지스터(2200)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도 15를 사용하여 트랜지스터(2200)가 p채널형 트랜지스터인 경우를 설명하였지만 트랜지스터(3200)가 n채널형 트랜지스터이어도 좋다.
도 19에 도시된 트랜지스터(3200)는 반도체 기판(450)을 사용한 트랜지스터이다. 트랜지스터(3200)는 반도체 기판(450) 내의 영역(472a), 반도체 기판(450) 내의 영역(472b), 절연체(462), 및 도전체(454)를 가진다.
도 19에 도시된 반도체 장치는 절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 도전체(480a), 도전체(480b), 도전체(480c), 도전체(478a), 도전체(478b), 도전체(478c), 도전체(476a), 도전체(476b), 도전체(474a), 도전체(474b), 도전체(474c), 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 도전체(496d), 도전체(498a), 도전체(498b), 도전체(498c), 도전체(498d), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494)를 가진다.
절연체(464)는 트랜지스터(3200) 위에 배치된다. 또한, 절연체(466)는 절연체(464) 위에 배치된다. 또한, 절연체(468)는 절연체(466) 위에 배치된다. 또한, 절연체(490)는 절연체(468) 위에 배치된다. 또한, 트랜지스터(3300)는 절연체(490) 위에 배치된다. 또한, 절연체(492)는 트랜지스터(3300) 위에 배치된다. 또한, 절연체(494)는 절연체(492) 위에 배치된다.
절연체(464)는 영역(472a)에 도달되는 개구와, 영역(472b)에 도달되는 개구와, 도전체(454)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(480a), 도전체(480b), 또는 도전체(480c)로 매립된다.
또한, 절연체(466)는 도전체(480a)에 도달되는 개구와, 도전체(480b)에 도달되는 개구와, 도전체(480c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(478a), 도전체(478b), 또는 도전체(478c)로 매립된다.
또한, 절연체(468)는 도전체(478b)에 도달되는 개구와, 도전체(478c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(476a) 또는 도전체(476b)로 매립된다.
또한, 절연체(490)는 트랜지스터(3300)의 채널 형성 영역과 중첩되는 개구와, 도전체(476a)에 도달되는 개구와, 도전체(476b)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(474a), 도전체(474b), 또는 도전체(474c)로 매립된다.
도전체(474a)는 트랜지스터(3300)의 보텀 게이트 전극으로서의 기능을 가져도 좋다. 또는, 예를 들어, 도전체(474a)에 일정한 전위를 인가함으로써 트랜지스터(3300)의 문턱 전압 등의 전기 특성을 제어하여도 좋다. 또는, 예를 들어, 도전체(474a)와 트랜지스터(3300)의 톱 게이트 전극인 도전체(404)를 전기적으로 접속하여도 좋다. 이로써 트랜지스터(3300)의 온 전류를 크게 할 수 있다. 또한, 펀치스루 현상을 억제할 수 있기 때문에 트랜지스터(3300)의 포화 영역에서의 전기 특성을 안정하게 할 수 있다.
또한, 절연체(492)는 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽인 도전체(416b)를 통하여 도전체(474b)에 도달되는 개구와, 도전체(414)에 도달되는 개구와, 트랜지스터(3300)의 게이트 전극인 도전체(404)에 도달되는 개구와, 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽인 도전체(416a)를 통하여 도전체(474c)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 또는 도전체(496d)로 매립된다. 다만, 각 개구는 트랜지스터(3300) 등의 구성 요소 중 어느 것이 가지는 개구를 더 관통하는 경우가 있다.
또한, 절연체(494)는 도전체(496a)에 도달되는 개구와, 도전체(496b)에 도달되는 개구와, 도전체(496c)에 도달되는 개구와, 도전체(496d)에 도달되는 개구를 가진다. 또한, 개구들은 각각 도전체(498a), 도전체(498b), 도전체(498c), 또는 도전체(498d)로 매립된다.
절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494) 중 하나 이상은 수소 등의 불순물 및 산소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체를 가지는 것이 바람직하다. 트랜지스터(3300) 근방에 수소 등의 불순물 및 산소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체를 배치함으로써 트랜지스터(3300)의 전기 특성을 안정하게 할 수 있다.
도전체(498d)로서는, 예를 들어 붕소, 질소, 산소, 플루오린, 실리콘, 인, 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 루테늄, 은, 인듐, 주석, 탄탈럼, 및 텅스텐 중 1종류 이상을 포함하는 도전체를 단층 또는 적층 구조로 사용하면 좋다. 예를 들어, 합금이나 화합물이어도 좋고, 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등을 사용하여도 좋다.
트랜지스터(3200)의 소스 또는 드레인은 도전체(480b), 도전체(478b), 도전체(476a), 도전체(474b), 및 도전체(496c)를 통하여 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽인 도전체(416b)와 전기적으로 접속된다. 또한, 트랜지스터(3200)의 게이트 전극인 도전체(454)는 도전체(480c), 도전체(478c), 도전체(476b), 도전체(474c), 및 도전체(496d)를 통하여 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽인 도전체(416a)와 전기적으로 접속된다.
용량 소자(3400)는 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽과 전기적으로 접속되는 전극과, 도전체(414) 및 절연체(412)를 가진다. 또한, 절연체(412)는 트랜지스터(3300)의 게이트 절연체와 동일한 공정을 거쳐 형성될 수 있기 때문에 생산성을 높일 수 있다. 또한, 도전체(414)로서 트랜지스터(3300)의 게이트 전극과 동일한 공정을 거쳐 형성된 층을 사용하면 생산성을 높일 수 있다.
이 외의 구조에 대해서는 도 15 등에 관한 기재를 적절히 참조할 수 있다.
또한, 도 20에 도시된 반도체 장치는 도 19에 도시된 반도체 장치와 트랜지스터(3200)의 구조만이 다르다. 따라서, 도 20에 도시된 반도체 장치에 대해서는 도 19에 도시된 반도체 장치에 관한 기재를 참조하기 바란다. 구체적으로는 도 20은, 반도체 장치에서 트랜지스터(3200)를 Fin형 트랜지스터로 하는 경우를 도시한 것이다. Fin형 트랜지스터인 트랜지스터(3200)에 대해서는 도 16에 도시된 트랜지스터(2200)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도 16을 사용하여 트랜지스터(2200)가 p채널형 트랜지스터인 경우를 설명하였지만 트랜지스터(3200)가 n채널형 트랜지스터이어도 좋다.
또한, 도 21에 도시된 반도체 장치는 도 19에 도시된 반도체 장치와 트랜지스터(3200)의 구조만이 다르다. 따라서, 도 21에 도시된 반도체 장치에 대해서는 도 19에 도시된 반도체 장치에 관한 기재를 참조하기 바란다. 구체적으로는 도 21은, 반도체 장치에서 트랜지스터(3200)가 SOI 기판인 반도체 기판(450)에 제공되는 경우를 도시한 것이다. SOI 기판인 반도체 기판(450)에 제공된 트랜지스터(3200)에 대해서는 도 17에 도시된 트랜지스터(2200)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도 17을 사용하여 트랜지스터(2200)가 p채널형 트랜지스터인 경우를 설명하였지만 트랜지스터(3200)가 n채널형 트랜지스터이어도 좋다.
<기억 장치 2>
도 18의 (B)에 도시된 반도체 장치는 트랜지스터(3200)를 가지지 않는 점에서 도 18의 (A)에 도시된 반도체 장치와 다르다. 이 경우에도 도 18의 (A)에 도시된 반도체 장치와 같은 동작에 의하여 정보를 기록 및 유지할 수 있다.
도 18의 (B)에 도시된 반도체 장치에서의 정보의 판독에 대하여 설명한다. 트랜지스터(3300)가 도통 상태가 되면, 부유 상태인 제 3 배선(3003)과 용량 소자(3400)가 도통되어 제 3 배선(3003)과 용량 소자(3400) 사이에서 전하가 재분배된다. 이 결과, 제 3 배선(3003)의 전위가 변화된다. 제 3 배선(3003)의 전위의 변화량은 용량 소자(3400)의 한쪽 전극의 전위(또는 용량 소자(3400)에 축적된 전하)에 따라 달라진다.
예를 들어, 용량 소자(3400)의 한쪽 전극의 전위를 V로, 용량 소자(3400)의 용량을 C로, 제 3 배선(3003)이 가지는 용량 성분을 CB로, 전하가 재분배되기 전의 제 3 배선(3003)의 전위를 VB0으로 하면, 전하가 재분배된 후의 제 3 배선(3003)의 전위는 (CB×VB0+C×V)/(CB+C)가 된다. 따라서, 메모리 셀의 상태로서 용량 소자(3400)의 한쪽 전극의 전위가 V1과 V0(V1>V0)의 두 가지 상태를 취하는 것으로 가정하면, 전위(V1)을 유지하고 있는 경우의 제 3 배선(3003)의 전위(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))는 전위(V0)를 유지하고 있는 경우의 제 3 배선(3003)의 전위(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))보다 높게 되는 것을 알 수 있다.
그리고, 제 3 배선(3003)의 전위를 소정의 전위와 비교함으로써 정보를 판독할 수 있다.
이 경우, 메모리 셀을 구동시키기 위한 구동 회로에 상기 제 1 반도체가 적용된 트랜지스터를 사용하고, 트랜지스터(3300)로서 상기 제 2 반도체가 적용된 트랜지스터를 구동 회로 위에 적층하여 배치하는 구성으로 하면 좋다.
상술한 반도체 장치는 산화물 반도체를 사용한, 오프 전류가 작은 트랜지스터를 적용함으로써 기억 내용을 장기간 유지할 수 있게 된다. 즉, 리프레시 동작을 할 필요가 없어지거나, 또는 리프레시 동작의 빈도를 매우 적게 할 수 있게 되기 때문에, 소비 전력이 낮은 반도체 장치를 구현할 수 있다. 또한, 전력이 공급되지 않는 경우(다만, 전위는 고정되는 것이 바람직함)에도 기억 내용을 장기간 유지할 수 있다.
또한, 상기 반도체 장치는 정보의 기록에 높은 전압을 필요로 하지 않기 때문에 소자가 열화되기 어렵다. 예를 들어, 종래의 비휘발성 메모리와 같이, 플로팅 게이트에 전자를 주입하거나, 플로팅 게이트로부터 전자를 추출할 필요가 없기 때문에, 절연체의 열화 등의 문제가 생기지 않는다. 즉, 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 종래의 비휘발성 메모리에서 문제가 되고 있는 재기록 가능 횟수에 제한이 없어, 신뢰성이 비약적으로 향상된 반도체 장치이다. 또한, 트랜지스터의 도통 상태, 비도통 상태에 따라 정보의 기록이 수행되기 때문에 고속 동작이 가능하다.
<촬상 장치>
이하에서는 본 발명의 일 형태에 따른 촬상 장치에 대하여 설명한다.
도 22의 (A)는 본 발명의 일 형태에 따른 촬상 장치(200)의 예를 도시한 평면도이다. 촬상 장치(200)는 화소부(210), 화소부(210)를 구동하기 위한 주변 회로(260), 주변 회로(270), 주변 회로(280), 및 주변 회로(290)를 가진다. 화소부(210)는 p행 q열(p 및 q는 2 이상의 정수(整數)임)의 매트릭스 형태로 배치된 복수의 화소(211)를 가진다. 주변 회로(260), 주변 회로(270), 주변 회로(280), 및 주변 회로(290)는 각각 복수의 화소(211)에 접속되고, 복수의 화소(211)를 구동하기 위한 신호를 공급하는 기능을 가진다. 또한, 본 명세서 등에서 주변 회로(260), 주변 회로(270), 주변 회로(280), 및 주변 회로(290) 등을 통틀어 '주변 회로' 또는 '구동 회로'라고 하는 경우가 있다. 예를 들어, 주변 회로(260)는 주변 회로의 일부라고 할 수 있다.
또한, 촬상 장치(200)는 광원(291)을 가지는 것이 바람직하다. 광원(291)은 검출광(P1)을 방출할 수 있다.
또한, 주변 회로는 적어도 논리 회로, 스위치, 버퍼, 증폭 회로, 또는 변환 회로 중 하나를 가진다. 또한, 주변 회로는 화소부(210)가 형성되는 기판 위에 배치되어도 좋다. 또한, 주변 회로는 그 일부 또는 전체를 IC 등의 반도체 장치를 사용하여 실장되어도 좋다. 또한, 주변 회로 중 주변 회로(260), 주변 회로(270), 주변 회로(280), 및 주변 회로(290) 중 어느 하나 이상을 생략하여도 좋다.
또한, 도 22의 (B)에 도시된 바와 같이, 촬상 장치(200)가 가지는 화소부(210)에, 화소(211)를 기울여서 배치하여도 좋다. 화소(211)를 기울여서 배치함으로써, 행 방향 및 열 방향의 화소 간격(피치)을 짧게 할 수 있다. 이로써, 촬상 장치(200)에서의 촬상의 질을 더 높일 수 있다.
<화소의 구성예 1>
촬상 장치(200)가 가지는 하나의 화소(211)를 복수의 부화소(212)로 구성하고, 각 부화소(212)에 특정한 파장 대역의 광을 투과시키는 필터(컬러 필터)를 조합함으로써 컬러 화상 표시를 실현하기 위한 정보를 취득할 수 있다.
도 23의 (A)는 컬러 화상을 취득하기 위한 화소(211)의 일례를 도시한 평면도이다. 도 23의 (A)에 도시된 화소(211)는 적색(R)의 파장 대역을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)(이하, '부화소(212R)'라고도 함), 녹색(G)의 파장 대역을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)(이하, '부화소(212G)'라고도 함), 및 청색(B)의 파장 대역을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)(이하, '부화소(212B)'라고도 함)를 가진다. 부화소(212)는 포토센서로서 기능시킬 수 있다.
부화소(212)(부화소(212R), 부화소(212G), 및 부화소(212B))는 배선(231), 배선(247), 배선(248), 배선(249), 및 배선(250)과 전기적으로 접속된다. 또한, 부화소(212R), 부화소(212G), 및 부화소(212B)는 각각이 독립된 배선(253)에 접속된다. 또한, 본 명세서 등에서 예를 들어, n행째 화소(211)에 접속된 배선(248) 및 배선(249)을 각각 배선(248[n]) 및 배선(249[n])이라고 기재한다. 또한, 예를 들어 m열째 화소(211)에 접속된 배선(253)을 배선(253[m])이라고 기재한다. 또한, 도 23의 (A)에서 m열째 화소(211)가 가지는 부화소(212R)에 접속된 배선(253)을 배선(253[m]R), 부화소(212G)에 접속된 배선(253)을 배선(253[m]G), 및 부화소(212B)에 접속된 배선(253)을 배선(253[m]B)이라고 나타내었다. 부화소(212)는 상기 배선을 통하여 주변 회로와 전기적으로 접속된다.
또한, 촬상 장치(200)는, 인접한 화소(211)들에 있어서 같은 파장 대역을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)들이 스위치를 통하여 서로 전기적으로 접속되는 구성을 가진다. 도 23의 (B)에 n행(n은 1 이상 p 이하의 정수임) m열(m은 1 이상 q 이하의 정수임)로 배치된 화소(211)가 가지는 부화소(212)와, 상기 화소(211)와 인접한 n+1행 m열로 배치된 화소(211)가 가지는 부화소(212)의 접속의 예를 도시하였다. 도 23의 (B)에서, n행 m열로 배치된 부화소(212R)와, n+1행 m열로 배치된 부화소(212R)가 스위치(201)를 통하여 접속되어 있다. 또한, n행 m열로 배치된 부화소(212G)와, n+1행 m열로 배치된 부화소(212G)가 스위치(202)를 통하여 접속되어 있다. 또한, n행 m열로 배치된 부화소(212B)와, n+1행 m열로 배치된 부화소(212B)가 스위치(203)를 통하여 접속되어 있다.
또한, 부화소(212)에 사용하는 컬러 필터는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)에 한정되지 않고 각각 시안(C), 황색(Y), 및 마젠타(M)의 광을 투과시키는 컬러 필터를 사용하여도 좋다. 하나의 화소(211)에 3종류의 다른 파장 대역의 광을 검출하는 부화소(212)를 제공함으로써 풀 컬러의 화상을 취득할 수 있다.
또는, 각각 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 광을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)들에 더하여 황색(Y)의 광을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)를 가지는 화소(211)를 사용하여도 좋다. 또는, 각각 시안(C), 황색(Y), 마젠타(M)의 광을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)들에 더하여 청색(B)의 광을 투과시키는 컬러 필터가 제공된 부화소(212)를 가지는 화소(211)를 사용하여도 좋다. 하나의 화소(211)에 4종류의 다른 파장 대역의 광을 검출하는 부화소(212)를 제공함으로써 취득한 화상의 색 재현성을 더 높일 수 있다.
또한, 예를 들어 도 23의 (A)에 있어서 적색의 파장 대역을 검출하는 부화소(212), 녹색의 파장 대역을 검출하는 부화소(212), 및 청색의 파장 대역을 검출하는 부화소(212)의 화소수의 비(또는 수광 면적의 비)는 1:1:1이 아니라도 좋다. 예를 들어, 화소수의 비(수광 면적의 비)를 적:녹:청=1:2:1로 하는 Bayer 배열로 하여도 좋다. 또는, 화소수의 비(수광 면적의 비)를 적:녹:청=1:6:1로 하여도 좋다.
또한, 화소(211)에 제공하는 부화소(212)는 하나라도 좋지만 2개 이상으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 같은 파장 대역을 검출하는 부화소(212)를 2개 이상 제공함으로써 중복성(redundancy)을 높여 촬상 장치(200)의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 가시광을 흡수 또는 반사하여 적외광을 투과시키는 IR(IR: infrared) 필터를 사용하여 적외광을 검출하는 촬상 장치(200)를 구현할 수 있다.
또한, ND(neutral density) 필터(감광(減光) 필터)를 사용함으로써 광전 변환 소자(수광 소자)에 대광량의 광이 입사하였을 때 발생되는 출력 포화를 방지할 수 있다. 감광량이 상이한 ND 필터를 조합하여 사용함으로써 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 크게 할 수 있다.
또한, 상술한 필터 외에 화소(211)에 렌즈를 제공하여도 좋다. 여기서 도 24의 단면도를 사용하여 화소(211), 필터(254), 및 렌즈(255)의 배치의 예를 설명한다. 렌즈(255)를 제공함으로써 광전 변환 소자가 입사광을 효율적으로 수광할 수 있게 된다. 구체적으로는 도 24의 (A)에 도시된 바와 같이 화소(211)에 형성된 렌즈(255), 필터(254)(필터(254R), 필터(254G), 및 필터(254B)), 및 화소 회로(230) 등을 통하여 광(256)을 광전 변환 소자(220)에 입사시키는 구조로 할 수 있다.
또한, 이점 쇄선으로 둘러싸인 영역에 도시된 바와 같이 화살표로 나타낸 광(256)의 일부가 배선(257)의 일부에 의하여 차광되는 경우가 있다. 따라서, 도 24의 (B)에 도시된 바와 같이 광전 변환 소자(220) 측에 렌즈(255) 및 필터(254)를 배치함으로써 광전 변환 소자(220)에서 광(256)이 효율적으로 수광되는 구조로 하는 것이 바람직하다. 광전 변환 소자(220) 측으로부터 광(256)을 광전 변환 소자(220)로 입사시킴으로써 검출 감도가 높은 촬상 장치(200)를 제공할 수 있다.
도 24에 도시된 광전 변환 소자(220)로서 pn형 접합 또는 pin형 접합이 형성된 광전 변환 소자를 사용하여도 좋다.
또한, 방사선을 흡수하여 전하를 발생시키는 기능을 가지는 물질을 사용하여 광전 변환 소자(220)를 형성하여도 좋다. 방사선을 흡수하여 전하를 발생시키는 기능을 가지는 물질로서는 셀레늄, 아이오딘화 납, 아이오딘화 수은, 비소화 갈륨, 텔루륨화 카드뮴, 카드뮴 아연 합금 등을 들 수 있다.
예를 들어, 광전 변환 소자(220)에 셀레늄을 사용하면 가시광이나 자외광, 적외광에 더하여 X선이나 감마선 등 폭넓은 파장 대역에 걸친 광 흡수 계수를 가지는 광전 변환 소자(220)를 구현할 수 있다.
여기서 촬상 장치(200)가 가지는 하나의 화소(211)는 도 23에 도시된 부화소(212)에 더하여 제 1 필터를 가지는 부화소(212)를 가져도 좋다.
<화소의 구성예 2>
이하에서는 실리콘을 사용한 트랜지스터와 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 사용하여 화소를 구성하는 경우의 일례에 대하여 설명한다.
도 25는 촬상 장치를 구성하는 소자의 단면도이다. 도 25의 (A)에 도시된 촬상 장치는 실리콘 기판(300)에 제공된 실리콘을 사용한 트랜지스터(351), 트랜지스터(351) 위에 적층하여 배치된 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353), 그리고 실리콘 기판(300)에 제공된 포토다이오드(360)를 포함한다. 각 트랜지스터 및 포토다이오드(360)는 각종 플러그(370) 및 배선(371)과 전기적으로 접속된다. 또한, 포토다이오드(360)는 애노드(361) 및 캐소드(362)를 가지고, 애노드(361)는 저저항 영역(363)을 통하여 플러그(370)와 전기적으로 접속된다.
또한, 촬상 장치는 실리콘 기판(300)에 제공된 트랜지스터(351) 및 포토다이오드(360)를 가지는 층(310); 층(310)과 접촉하여 제공되고 배선(371)을 가지는 층(320); 층(320)과 접촉하여 제공되고 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353)를 가지는 층(330); 및 층(330)과 접촉하여 제공되고 배선(372) 및 배선(373)을 가지는 층(340)을 가진다.
또한, 도 25의 (A)의 단면도의 일례는 실리콘 기판(300)의 트랜지스터(351)가 형성된 면과는 반대의 면에 포토다이오드(360)의 수광면을 가지는 구성을 도시한 것이다. 상기 구성으로 함으로써 각종 트랜지스터나 배선 등의 영향을 받지 않고 광로를 확보할 수 있다. 그러므로, 개구율이 높은 화소를 형성할 수 있다. 또한, 포토다이오드(360)의 수광면을 트랜지스터(351)가 형성된 면과 같게 할 수도 있다.
또한, 트랜지스터를 사용하여 화소를 구성하는 경우에는 층(310)을 트랜지스터를 가지는 층으로 하면 좋다. 또는, 층(310)을 생략하고 트랜지스터만으로 화소를 구성하여도 좋다.
또한, 트랜지스터를 사용하여 화소를 구성하는 경우에는 층(330)을 생략하면 좋다. 층(330)을 생략한 단면도의 일례를 도 25의 (B)에 도시하였다. 층(330)을 생략하는 경우, 층(340)의 배선(372)도 생략할 수 있다.
또한, 실리콘 기판(300)은 SOI 기판이라도 좋다. 또한, 실리콘 기판(300) 대신에 저마늄, 실리콘 저마늄, 탄소화 실리콘, 비소화 갈륨, 비소화 알루미늄 갈륨, 인화 인듐, 질화 갈륨, 또는 유기 반도체를 가지는 기판을 사용할 수도 있다.
여기서, 트랜지스터(351) 및 포토다이오드(360)를 가지는 층(310)과, 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353)를 가지는 층(330) 사이에는 절연체(380)가 제공된다. 다만, 절연체(380)의 위치는 한정되지 않는다.
트랜지스터(351)의 채널 형성 영역 근방에 제공되는 절연체 내의 수소는 실리콘의 댕글링 본드를 종단시켜 트랜지스터(351)의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다. 한편, 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353) 등의 근방에 제공되는 절연체 내의 수소는, 산화물 반도체 내에 캐리어를 생성하는 요인 중 하나가 된다. 그러므로 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353) 등의 신뢰성이 저하되는 요인이 되는 경우가 있다. 따라서, 실리콘계 반도체를 사용한 트랜지스터 위에 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 적층하여 제공하는 경우, 이들 사이에 수소를 블로킹하는 기능을 가지는 절연체(380)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(380)보다 아래에 수소를 가둠으로써 트랜지스터(351)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연체(380)보다 아래로부터 절연체(380)보다 위로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있기 때문에 트랜지스터(352) 및 트랜지스터(353) 등의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
절연체(380)에 대해서는 예를 들어, 절연체(408)에 관한 기재를 참조하기 바란다.
또한, 도 25의 (A)의 단면도에서 층(310)에 제공되는 포토다이오드(360)와 층(330)에 제공되는 트랜지스터를 중첩하도록 형성할 수 있다. 이로써 화소의 집적도를 높일 수 있다. 즉, 촬상 장치의 해상도를 높일 수 있다.
또한, 도 26의 (A1) 및 (B1)에 도시된 바와 같이 촬상 장치의 일부 또는 전체를 만곡시켜도 좋다. 도 26의 (A1)은 촬상 장치를 같은 도면 중의 이점 쇄선 X1-X2의 방향으로 만곡시킨 상태를 도시한 것이다. 도 26의 (A2)는 도 26의 (A1)을 이점 쇄선 X1-X2를 따라 자른 부위의 단면도이다. 도 26의 (A3)은 도 26의 (A1)을 이점 쇄선 Y1-Y2를 따라 자른 부위의 단면도이다.
도 26의 (B1)은 촬상 장치를 같은 도면 중의 이점 쇄선 X3-X4의 방향으로 만곡시키고 같은 도면 중의 이점 쇄선 Y3-Y4의 방향으로 만곡시킨 상태를 도시한 것이다. 도 26의 (B2)는 도 26의 (B1)을 이점 쇄선 X3-X4를 따라 자른 부위의 단면도이다. 도 26의 (B3)은 도 26의 (B1)을 이점 쇄선 Y3-Y4를 따라 자른 부위의 단면도이다.
촬상 장치를 만곡시킴으로써 상면만곡(像面彎曲)이나 비점수차를 저감할 수 있다. 따라서, 촬상 장치와 조합하여 사용하는 렌즈 등의 광학 설계를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 수차 보정을 위한 렌즈의 수를 줄일 수 있기 때문에 촬상 장치를 사용한 전자 기기 등의 소형화나 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 촬상되는 화상의 품질을 향상시킬 수 있다.
<CPU>
상술한 트랜지스터나 기억 장치 등의 반도체 장치를 포함하는 CPU에 대하여 이하에서 설명한다.
도 27은 상술한 트랜지스터를 일부에 사용한 CPU의 구성의 일례를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 27에 도시된 CPU는, 기판(1190) 위에 ALU(1191)(Arithmetic logic unit: 연산 회로), ALU 컨트롤러(1192), 인스트럭션 디코더(1193), 인터럽트 컨트롤러(1194), 타이밍 컨트롤러(1195), 레지스터(1196), 레지스터 컨트롤러(1197), 버스 인터페이스(1198), 재기록 가능한 ROM(1199), 및 ROM 인터페이스(1189)를 가진다. 기판(1190)으로서는 반도체 기판, SOI 기판, 유리 기판 등을 사용한다. ROM(1199) 및 ROM 인터페이스(1189)는 서로 다른 칩에 제공되어도 좋다. 도 27에 도시된 CPU는 그 구성을 간략화하여 도시한 일례에 불과하고, 실제의 CPU는 그 용도에 따라 다양한 구성을 가질 수 있다는 것은 말할 나위 없다. 예를 들어, 도 27에 도시된 CPU 또는 연산 회로를 포함하는 구성을 하나의 코어로 하고, 상기 코어를 복수로 포함하고 각 코어가 병렬로 동작하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, CPU가 내부 연산 회로나 데이터 버스에서 취급할 수 있는 비트 수를, 예를 들어 8비트, 16비트, 32비트, 64비트 등으로 할 수 있다.
버스 인터페이스(1198)를 통하여 CPU에 입력된 명령은, 인스트럭션 디코더(1193)에 입력되어 디코딩된 후, ALU 컨트롤러(1192), 인터럽트 컨트롤러(1194), 레지스터 컨트롤러(1197), 및 타이밍 컨트롤러(1195)에 입력된다.
ALU 컨트롤러(1192), 인터럽트 컨트롤러(1194), 레지스터 컨트롤러(1197), 및 타이밍 컨트롤러(1195)는 디코딩된 명령에 따라 각종 제어를 수행한다. 구체적으로 ALU 컨트롤러(1192)는 ALU(1191)의 동작을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 또한, 인터럽트 컨트롤러(1194)는 CPU의 프로그램 실행 중에, 외부의 입출력 장치나 주변 회로로부터의 인터럽트 요구를 그 우선도나 마스크 상태로부터 판단하여 처리한다. 레지스터 컨트롤러(1197)는 레지스터(1196)의 어드레스를 생성하고, CPU의 상태에 따라 레지스터(1196)의 판독이나 기록을 수행한다.
또한, 타이밍 컨트롤러(1195)는, ALU(1191), ALU 컨트롤러(1192), 인스트럭션 디코더(1193), 인터럽트 컨트롤러(1194), 및 레지스터 컨트롤러(1197)의 동작의 타이밍을 제어하는 신호를 생성한다. 예를 들어, 타이밍 컨트롤러(1195)는 기준 클럭 신호에 기초하여 내부 클럭 신호를 생성하는 내부 클럭 생성부를 포함하며, 내부 클럭 신호를 상기 각종 회로에 공급한다.
도 27에 도시된 CPU에서는, 레지스터(1196)에 메모리 셀이 제공되어 있다. 레지스터(1196)의 메모리 셀로서는, 상술한 트랜지스터나 기억 장치 등을 사용할 수 있다.
도 27에 도시된 CPU에서 레지스터 컨트롤러(1197)는 ALU(1191)로부터의 지시에 따라 레지스터(1196)에서의 유지 동작의 선택을 수행한다. 즉, 레지스터(1196)가 가지는 메모리 셀에서, 플립플롭에 의한 데이터 유지를 수행할지, 용량 소자에서의 데이터 유지를 수행할지를 선택한다. 플립플롭에 의한 데이터 유지가 선택되면 레지스터(1196) 내의 메모리 셀에 전원 전압이 공급된다. 용량 소자에서의 데이터 유지가 선택되면 용량 소자에 데이터가 재기록되고 레지스터(1196) 내의 메모리 셀에 대한 전원 전압의 공급을 정지할 수 있다.
도 28은 레지스터(1196)로서 사용할 수 있는 기억 소자(1200)의 회로도의 일례이다. 기억 소자(1200)는 전원 차단에 의하여 기억 데이터가 휘발되는 회로(1201)와, 전원이 차단되어도 기억 데이터가 휘발되지 않는 회로(1202)와, 스위치(1203)와, 스위치(1204)와, 논리 소자(1206)와, 용량 소자(1207)와, 선택 기능을 가지는 회로(1220)를 가진다. 회로(1202)는 용량 소자(1208)와, 트랜지스터(1209)와, 트랜지스터(1210)를 가진다. 또한, 기억 소자(1200)는 필요에 따라 다이오드, 저항 소자, 인덕터 등의 기타 소자를 더 가져도 좋다.
여기서, 회로(1202)에는 상술한 기억 장치를 사용할 수 있다. 기억 소자(1200)에 대한 전원 전압의 공급이 정지될 때, 회로(1202)의 트랜지스터(1209)의 게이트에는 GND(0V), 또는 트랜지스터(1209)가 오프 상태가 되는 전위가 계속 입력되는 구성으로 한다. 예를 들어, 트랜지스터(1209)의 게이트가 저항 소자 등의 부하를 통하여 접지되는 구성으로 한다.
스위치(1203)를 하나의 도전형(예를 들어 n채널형)을 가지는 트랜지스터(1213)를 사용하여 구성하고 스위치(1204)를 상기 하나의 도전형과 반대의 도전형(예를 들어 p채널형)을 가지는 트랜지스터(1214)를 사용하여 구성하는 경우의 예에 대하여 설명한다. 여기서, 스위치(1203)의 제 1 단자는 트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 대응하고, 스위치(1203)의 제 2 단자는 트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 대응하며, 스위치(1203)는 트랜지스터(1213)의 게이트에 입력되는 제어 신호(RD)에 의하여 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 또는 비도통 상태(즉, 트랜지스터(1213)의 도통 또는 비도통 상태)가 선택된다. 스위치(1204)의 제 1 단자는 트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 대응하고, 스위치(1204)의 제 2 단자는 트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 대응하며, 스위치(1204)는, 트랜지스터(1214)의 게이트에 입력되는 제어 신호(RD)에 의하여 그 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 또는 비도통 상태(즉, 트랜지스터(1214)의 도통 또는 비도통 상태)가 선택된다.
트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 용량 소자(1208)의 한 쌍의 전극 중 한쪽, 및 트랜지스터(1210)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 여기서, 접속 부분을 노드(M2)로 한다. 트랜지스터(1210)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 저전원 전위를 공급할 수 있는 배선(예를 들어 GND선)에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽은 스위치(1203)의 제 1 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 한쪽)에 전기적으로 접속된다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)는 스위치(1204)의 제 1 단자(트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 한쪽)에 전기적으로 접속된다. 스위치(1204)의 제 2 단자(트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)는 전원 전위(VDD)를 공급할 수 있는 배선에 전기적으로 접속된다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)와, 스위치(1204)의 제 1 단자(트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 한쪽)와, 논리 소자(1206)의 입력 단자와, 용량 소자(1207)의 한 쌍의 전극 중 한쪽은 전기적으로 접속된다. 여기서, 접속 부분을 노드(M1)로 한다. 용량 소자(1207)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은, 일정한 전위가 입력되는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 저전원 전위(GND 등) 또는 고전원 전위(VDD 등)가 입력되는 구성으로 할 수 있다. 용량 소자(1207)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은 저전원 전위를 공급할 수 있는 배선(예를 들어 GND선)에 전기적으로 접속된다. 용량 소자(1208)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은, 일정한 전위가 입력되는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 저전원 전위(GND 등) 또는 고전원 전위(VDD 등)가 입력되는 구성으로 할 수 있다. 용량 소자(1208)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은 저전원 전위를 공급할 수 있는 배선(예를 들어 GND선)에 전기적으로 접속된다.
또한, 트랜지스터나 배선의 기생 용량 등을 적극적으로 이용함으로써, 용량 소자(1207) 및 용량 소자(1208)를 생략할 수도 있다.
트랜지스터(1209)의 게이트에는 제어 신호(WE)가 입력된다. 스위치(1203) 및 스위치(1204)는, 제어 신호(WE)와는 다른 제어 신호(RD)에 의하여 그 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 또는 비도통 상태가 선택되며, 한쪽 스위치의 제 1 단자와 제 2 단자 사이가 도통 상태일 때, 다른 쪽 스위치의 제 1 단자와 제 2 단자 사이는 비도통 상태가 된다.
트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 회로(1201)에 유지된 데이터에 대응하는 신호가 입력된다. 도 28에는 회로(1201)로부터 출력된 신호가 트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 입력되는 경우의 예를 도시하였다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력되는 신호는 논리 소자(1206)에 의하여 그 논리값이 반전된 반전 신호가 되고 회로(1220)를 통하여 회로(1201)에 입력된다.
또한, 도 28에는 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력되는 신호가 논리 소자(1206) 및 회로(1220)를 통하여 회로(1201)에 입력되는 경우의 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않는다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력되는 신호는 논리값이 반전되지 않고 회로(1201)에 입력되어도 좋다. 예를 들어, 회로(1201) 내에, 입력 단자로부터 입력된 신호의 논리값이 반전된 신호가 유지되는 노드가 존재하는 경우, 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력되는 신호를 상기 노드에 입력할 수 있다.
또한, 도 28에서, 기억 소자(1200)에 사용되는 트랜지스터들 중 트랜지스터(1209) 외의 트랜지스터는 산화물 반도체 외의 반도체로 이루어지는 막 또는 기판(1190)에 채널이 형성되는 트랜지스터로 할 수 있다. 예를 들어, 실리콘막 또는 실리콘 기판에 채널이 형성되는 트랜지스터로 할 수 있다. 또한, 기억 소자(1200)에 사용되는 모든 트랜지스터를, 산화물 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터로 할 수도 있다. 또는, 기억 소자(1200)는 트랜지스터(1209) 외에도, 산화물 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터를 포함하여도 좋고, 나머지 트랜지스터는 산화물 반도체 외의 반도체로 이루어지는 막 또는 기판(1190)에 채널이 형성되는 트랜지스터로 할 수도 있다.
도 28에서의 회로(1201)에는 예를 들어 플립플롭 회로를 이용할 수 있다. 또한, 논리 소자(1206)로서는 예를 들어 인버터나 클럭드 인버터 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치에서는 기억 소자(1200)에 전원 전압이 공급되지 않는 동안은 회로(1201)에 기억된 데이터를 회로(1202)에 제공된 용량 소자(1208)에 의하여 유지할 수 있다.
또한, 산화물 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터의 오프 전류는 매우 작다. 예를 들어, 산화물 반도체에 채널이 형성되는 트랜지스터의 오프 전류는 결정성을 가지는 실리콘에 채널이 형성되는 트랜지스터의 오프 전류에 비하여 매우 작다. 그러므로, 상기 트랜지스터를 트랜지스터(1209)로서 사용함으로써, 기억 소자(1200)에 전원 전압이 공급되지 않는 동안에도 용량 소자(1208)에 유지된 신호는 장기간 유지된다. 따라서, 기억 소자(1200)는 전원 전압의 공급이 정지되는 동안에도 기억 내용(데이터)의 유지가 가능하다.
또한, 스위치(1203) 및 스위치(1204)를 이용하여 프리차지 동작을 하는 것을 특징으로 하는 기억 소자이기 때문에, 전원 전압의 공급이 재개되고 나서 회로(1201)가 원래의 데이터를 다시 유지할 때까지의 시간을 짧게 할 수 있다.
또한, 회로(1202)에 있어서, 용량 소자(1208)에 의하여 유지된 신호는 트랜지스터(1210)의 게이트에 입력된다. 따라서, 기억 소자(1200)에 대한 전원 전압의 공급이 재개된 후, 용량 소자(1208)에 유지된 신호에 따라 트랜지스터(1210)의 도통 또는 비도통 상태가 전환되고, 그 상태에 따른 신호가 회로(1202)로부터 판독될 수 있다. 따라서, 용량 소자(1208)에 유지된 신호에 대응하는 전위가 약간 변동되더라도, 원래의 신호를 정확하게 판독하는 것이 가능하다.
프로세서가 가지는 레지스터나 캐시 메모리 등의 기억 장치에 상술한 바와 같은 기억 소자(1200)를 사용함으로써, 전원 전압의 공급 정지로 인한 기억 장치 내의 데이터 소실을 방지할 수 있다. 또한, 전원 전압의 공급을 재개한 후, 짧은 시간에 전원 공급 정지 전의 상태로 복귀할 수 있다. 따라서, 프로세서 전체, 또는 프로세서를 구성하는 하나 또는 복수의 논리 회로에서 짧은 시간이라도 전원을 정지할 수 있으므로 소비 전력을 억제할 수 있다.
기억 소자(1200)를 CPU에 사용하는 경우의 예를 설명하였지만, 기억 소자(1200)는 DSP(Digital Signal Processor), 커스텀 LSI, PLD(Programmable Logic Device) 등의 LSI, RF-ID(Radio Frequency Identification)에도 응용할 수 있다.
<표시 장치>
이하에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 표시 장치에 대하여 도 29 및 도 30을 사용하여 설명한다.
표시 장치에 사용되는 표시 소자로서는 액정 소자(액정 표시 소자라고도 함), 발광 소자(발광 표시 소자라고도 함) 등이 있다. 발광 소자는 전류 또는 전압에 의하여 휘도가 제어되는 소자를 그 범주에 포함하며 구체적으로는 무기 EL(electroluminescence), 유기 EL 등을 포함한다. 이하에서는, 표시 장치의 일례로서 EL 소자를 사용한 표시 장치(EL 표시 장치) 및 액정 소자를 사용한 표시 장치(액정 표시 장치)에 대하여 설명한다.
또한, 이하에서 표시 장치는 표시 소자가 밀봉된 상태의 패널과, 이 패널에 컨트롤러를 포함하는 IC 등을 실장한 상태의 모듈을 그 범주에 포함한다.
또한, 이하에서 표시 장치는 화상 표시 디바이스 또는 광원(조명 장치를 포함함)을 가리킨다. 또한, 커넥터, 예를 들어 FPC, TCP가 장착된 모듈, TCP의 끝에 프린트 배선판을 가지는 모듈 또는 표시 소자에 COG 방식에 의하여 IC(집적 회로)가 직접 실장된 모듈도 모두 표시 장치의 범주에 포함된다.
도 29는 본 발명의 일 형태에 따른 EL 표시 장치의 일례이다. 도 29의 (A)에 EL 표시 장치의 화소의 회로도를 도시하였다. 도 29의 (B)는 EL 표시 장치 전체를 도시한 상면도이다.
도 29의 (A)는 EL 표시 장치에 사용되는 화소의 회로도의 일례이다.
또한 본 명세서 등에서는, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 모든 단자에 관하여, 그 접속처가 특정되지 않더라도 당업자라면 발명의 일 형태를 구성할 수 있는 경우가 있다. 즉, 접속처가 특정되지 않더라도, 발명의 일 형태가 명확하다고 할 수 있다. 그리고 접속처가 특정된 내용이 본 명세서 등에 기재되어 있는 경우, 접속처가 특정되지 않은 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 특히, 단자의 접속처로서 복수의 개소가 상정되는 경우에는, 그 단자의 접속처를 특정한 개소에 한정할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 가지는 단자의 일부에 대해서만 그 접속처를 특정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 어떤 회로에 관하여 적어도 접속처가 특정되기만 하면, 당업자라면 발명을 특정할 수 있는 경우가 있다. 또는, 어떤 회로에 관하여 적어도 기능이 특정되기만 하면, 당업자라면 발명을 특정할 수 있는 경우가 있다. 즉, 기능이 특정되면, 발명의 일 형태가 명확하다고 할 수 있다. 그리고, 기능이 특정된 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 어떤 회로에 관하여 기능이 특정되지 않더라도 접속처가 특정되면 발명의 일 형태로서 개시되어 있는 것이며 그것으로 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또는, 어떤 회로에 관하여 접속처가 특정되지 않더라도 기능이 특정되면 발명의 일 형태로서 개시되어 있는 것이며 그것으로 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
도 29의 (A)에 도시된 EL 표시 장치는 스위칭 소자(743), 트랜지스터(741), 용량 소자(742), 및 발광 소자(719)를 가진다.
또한, 도 29의 (A) 등은 회로 구성의 일례이므로, 트랜지스터를 더 추가할 수 있다. 반대로, 도 29의 (A)의 각 노드에 있어서 트랜지스터, 스위치, 수동 소자 등을 추가하지 않는 것도 가능하다.
트랜지스터(741)의 게이트는 스위칭 소자(743)의 한쪽 단자 및 용량 소자(742)의 한쪽 전극과 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(741)의 소스는 용량 소자(742)의 다른 쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 발광 소자(719)의 한쪽 전극과 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(741)의 드레인에는 전원 전위(VDD)가 공급된다. 스위칭 소자(743)의 다른 쪽 단자는 신호선(744)과 전기적으로 접속된다. 발광 소자(719)의 다른 쪽 전극에는 정전위가 공급된다. 또한, 정전위는 접지 전위(GND) 또는 그것보다 작은 전위로 한다.
스위칭 소자(743)로서는 트랜지스터를 사용하면 바람직하다. 트랜지스터를 사용함으로써 화소의 면적을 작게 할 수 있어, 해상도가 높은 EL 표시 장치를 구현할 수 있다. 또한, 스위칭 소자(743)로서, 트랜지스터(741)와 동일한 공정을 거쳐 제작된 트랜지스터를 사용하면, EL 표시 장치의 생산성을 높일 수 있다. 또한, 트랜지스터(741) 또는/및 스위칭 소자(743)로서는 예를 들어 상술한 트랜지스터를 적용할 수 있다.
도 29의 (B)는 EL 표시 장치의 상면도이다. EL 표시 장치는 기판(700), 기판(750), 실재(sealant)(734), 구동 회로(735), 구동 회로(736), 화소(737), 및 FPC(732)를 가진다. 실재(734)는 화소(737), 구동 회로(735), 및 구동 회로(736)를 둘러싸도록 기판(700)과 기판(750) 사이에 배치된다. 또한, 구동 회로(735) 또는/및 구동 회로(736)를 실재(734)의 외측에 배치하여도 좋다.
도 29의 (C)는 도 29의 (B)의 일점 쇄선 M-N의 일부에 대응하는 EL 표시 장치의 단면도이다.
도 29의 (C)에 도시된 트랜지스터(741)는 기판(700) 위의 도전체(704a); 도전체(704a) 위의 절연체(712a); 절연체(712a) 위의 절연체(712b); 절연체(712b) 위에 있고 도전체(704a)와 중첩되는 반도체(706); 반도체(706)와 접촉되는 도전체(716a) 및 도전체(716b); 반도체(706) 위, 도전체(716a) 위, 및 도전체(716b) 위의 절연체(718a); 절연체(718a) 위의 절연체(718b); 절연체(718b) 위의 절연체(718c); 및 절연체(718c) 위에 있고 반도체(706)와 중첩되는 도전체(714a)를 가지는 구조를 가진다. 또한, 트랜지스터(741)의 구조는 일례이며 도 29의 (C)에 도시된 것과 다른 구조로 하여도 좋다.
따라서, 도 29의 (C)에 도시된 트랜지스터(741)에 있어서, 도전체(704a)는 게이트 전극으로서의 기능을 가지고, 절연체(712a) 및 절연체(712b)는 게이트 절연체로서의 기능을 가지고, 도전체(716a)는 소스 전극으로서의 기능을 가지고, 도전체(716b)는 드레인 전극으로서의 기능을 가지고, 절연체(718a), 절연체(718b), 및 절연체(718c)는 게이트 절연체로서의 기능을 가지고, 도전체(714a)는 게이트 전극으로서의 기능을 가진다. 또한, 반도체(706)는, 광의 조사에 의하여 전기 특성이 변동되는 경우가 있다. 따라서, 도전체(704a), 도전체(716a), 도전체(716b), 및 도전체(714a) 중 어느 하나 이상이 차광성을 가지면 바람직하다.
또한, 절연체(718a)와 절연체(718b)의 계면을 파선으로 나타내었지만, 이것은 양자의 경계가 명확하지 않을 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 절연체(718a) 및 절연체(718b)로서 같은 종류의 절연체를 사용한 경우, 관찰 방법에 따라서는 양자를 구별하지 못하는 경우가 있다.
도 29의 (C)에 도시된 용량 소자(742)는 기판 위의 도전체(704b); 도전체(704b) 위의 절연체(712a); 절연체(712a) 위의 절연체(712b); 절연체(712b) 위에 있고 도전체(704b)와 중첩되는 도전체(716a); 도전체(716a) 위의 절연체(718a); 절연체(718a) 위의 절연체(718b); 절연체(718b) 위의 절연체(718c); 절연체(718c) 위에 있고 도전체(716a)와 중첩되는 도전체(714b)를 가지고, 도전체(716a) 및 도전체(714b)가 중첩되는 영역에서, 절연체(718a) 및 절연체(718b)의 일부가 제거되어 있는 구조를 가진다.
용량 소자(742)에 있어서, 도전체(704b) 및 도전체(714b)는 한쪽 전극으로서 기능하고, 도전체(716a)는 다른 쪽 전극으로서 기능한다.
따라서, 용량 소자(742)는 트랜지스터(741)와 공통되는 막을 사용하여 제작할 수 있다. 또한, 도전체(704a) 및 도전체(704b)를 같은 종류의 도전체로 하면 바람직하다. 그 경우, 도전체(704a) 및 도전체(704b)는 동일한 공정을 거쳐 형성할 수 있다. 또한, 도전체(714a) 및 도전체(714b)를 같은 종류의 도전체로 하면 바람직하다. 그 경우, 도전체(714a) 및 도전체(714b)는 동일한 공정을 거쳐 형성할 수 있다.
도 29의 (C)에 도시된 용량 소자(742)는 점유 면적당 용량이 큰 용량 소자이다. 따라서, 도 29의 (C)에 도시된 EL 표시 장치는 표시 품위가 높다. 또한, 도 29의 (C)에 도시된 용량 소자(742)는, 도전체(716a)와 도전체(714b)가 중첩되는 영역을 얇게 하기 위하여 절연체(718a) 및 절연체(718b)의 일부를 제거한 구조를 가지지만, 본 발명의 일 형태에 따른 용량 소자는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도전체(716a)와 도전체(714b)가 중첩되는 영역을 얇게 하기 위하여 절연체(718c)의 일부를 제거한 구조로 하여도 좋다.
트랜지스터(741) 및 용량 소자(742) 위에는 절연체(720)가 배치된다. 여기서, 절연체(720)는 트랜지스터(741)의 소스 전극으로서 기능하는 도전체(716a)에 도달되는 개구를 가져도 좋다. 절연체(720) 위에는 도전체(781)가 배치된다. 도전체(781)는 절연체(720)의 개구를 통하여 트랜지스터(741)와 전기적으로 접속되어도 좋다.
도전체(781) 위에는 도전체(781)에 도달되는 개구를 가지는 격벽(784)이 배치된다. 격벽(784) 위에는, 격벽(784)의 개구에서 도전체(781)와 접촉되는 발광층(782)이 배치된다. 발광층(782) 위에는 도전체(783)가 배치된다. 도전체(781), 발광층(782), 및 도전체(783)가 중첩되는 영역이 발광 소자(719)가 된다.
여기까지 EL 표시 장치의 예에 대하여 설명하였다. 다음에, 액정 표시 장치의 예에 대하여 설명한다.
도 30의 (A)는 액정 표시 장치의 화소의 구성예를 도시한 회로도이다. 도 30에 도시된 화소는 트랜지스터(751)와, 용량 소자(752)와, 한 쌍의 전극 사이에 액정이 충전된 소자(액정 소자)(753)를 가진다.
트랜지스터(751)에서는 소스 및 드레인 중 한쪽이 신호선(755)에 전기적으로 접속되고, 게이트가 주사선(754)에 전기적으로 접속되어 있다.
용량 소자(752)에서는 한쪽 전극이 트랜지스터(751)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 공통 전위를 공급하는 배선에 전기적으로 접속되어 있다.
액정 소자(753)에서는 한쪽 전극이 트랜지스터(751)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 공통 전위를 공급하는 배선에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 상술한 용량 소자(752)의 다른 쪽 전극이 전기적으로 접속되는 배선에 공급되는 공통 전위와, 액정 소자(753)의 다른 쪽 전극에 공급되는 공통 전위는 달라도 좋다.
또한, 액정 표시 장치의 상면도는 EL 표시 장치와 같은 것으로 하여 설명한다. 도 29의 (B)의 일점 쇄선 M-N에 대응하는 액정 표시 장치의 단면도를 도 30의 (B)에 도시하였다. 도 30의 (B)에서 FPC(732)는 단자(731)를 통하여 배선(733a)과 접속된다. 또한, 배선(733a)에는 트랜지스터(751)를 구성하는 도전체 및 반도체 중 어느 것과 같은 종류의 도전체 또는 반도체를 사용하여도 좋다.
트랜지스터(751)에 대해서는 트랜지스터(741)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 용량 소자(752)에 대해서는 용량 소자(742)에 관한 기재를 참조하기 바란다. 또한, 도 30의 (B)에는 도 29의 (C)의 용량 소자(742)에 대응하는 용량 소자(752)의 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않는다.
또한, 트랜지스터(751)의 반도체에 산화물 반도체를 사용하면, 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터를 구현할 수 있다. 따라서, 용량 소자(752)에 유지된 전하가 누설되기 어렵고, 액정 소자(753)에 인가되는 전압을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다. 그러므로, 움직임이 적은 동영상이나 정지 화상을 표시할 때 트랜지스터(751)를 오프 상태로 함으로써, 트랜지스터(751)를 동작시키기 위한 전력이 불필요하게 되어, 소비 전력이 적은 액정 표시 장치를 구현할 수 있다. 또한, 용량 소자(752)의 점유 면적을 작게 할 수 있으므로, 개구율이 높은 액정 표시 장치, 또는 고정세(高精細)화한 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.
트랜지스터(751) 및 용량 소자(752) 위에는 절연체(721)가 배치된다. 여기서, 절연체(721)는 트랜지스터(751)에 도달되는 개구를 가진다. 절연체(721) 위에는 도전체(791)가 배치된다. 도전체(791)는 절연체(721)의 개구를 통하여 트랜지스터(751)와 전기적으로 접속된다.
도전체(791) 위에는 배향막으로서 기능하는 절연체(792)가 배치된다. 절연체(792) 위에는 액정층(793)이 배치된다. 액정층(793) 위에는 배향막으로서 기능하는 절연체(794)가 배치된다. 절연체(794) 위에는 스페이서(795)가 배치된다. 스페이서(795) 및 절연체(794) 위에는 도전체(796)가 배치된다. 도전체(796) 위에는 기판(797)이 배치된다.
상술한 구조로 함으로써 점유 면적이 작은 용량 소자를 가지는 표시 장치를 제공할 수 있거나, 또는 표시 품위가 높은 표시 장치를 제공할 수 있다. 또는, 고정세의 표시 장치를 제공할 수 있다.
예를 들어, 본 명세서 등에서 표시 소자, 표시 소자를 가지는 장치인 표시 장치, 발광 소자, 및 발광 소자를 가지는 장치인 발광 장치는 다양한 형태를 사용할 수 있고, 또는 다양한 소자를 가질 수 있다. 표시 소자, 표시 장치, 발광 소자, 또는 발광 장치는 예를 들어, EL 소자(유기물 및 무기물을 포함하는 EL 소자, 유기 EL 소자, 무기 EL 소자), 백색, 적색, 녹색, 또는 청색 등의 발광 다이오드(LED: light emitting diode), 트랜지스터(전류에 의하여 발광하는 트랜지스터), 전자 방출 소자, 액정 소자, 전자 잉크, 전기 영동 소자, GLV(grating light valve: 회절 광 밸브), PDP(plasma display panel: 플라즈마 디스플레이 패널), MEMS(micro electro mechanical systems: 미세 전자 기계 시스템)를 사용한 표시 소자, DMD(digital micromirror device: 디지털 마이크로 미러 디바이스), DMS(digital micro shutter: 디지털 마이크로 셔터), IMOD(간섭 변조) 소자, 셔터 방식의 MEMS 표시 소자, 광 간섭 방식의 MEMS 표시 소자, 전기 습윤 소자, 압전 세라믹 디스플레이, 카본 나노 튜브를 사용한 표시 소자 등의 적어도 하나를 가진다. 이들 외에도 전기적 또는 자기적 작용에 의하여 콘트라스트, 휘도, 반사율, 투과율 등이 변화되는 표시 매체를 가져도 좋다.
EL 소자를 사용한 표시 장치의 일례로서는 EL 디스플레이 등이 있다. 전자 방출 소자를 사용한 표시 장치의 일례로서는, FED(field emission display: 전계 방출 디스플레이) 또는 SED(surface-conduction electron-emitter display) 방식 평면형 디스플레이 등이 있다. 액정 소자를 사용한 표시 장치의 일례로서는 액정 디스플레이(투과형 액정 디스플레이, 반투과형 액정 디스플레이, 반사형 액정 디스플레이, 직시형 액정 디스플레이, 투사형 액정 디스플레이) 등이 있다. 전자 잉크 또는 전기 영동 소자를 사용한 표시 장치의 일례로서는 전자 종이 등이 있다. 또한, 반투과형 액정 디스플레이나 반사형 액정 디스플레이를 구현하기 위해서는 화소 전극의 일부 또는 전체가 반사 전극으로서의 기능을 가지도록 하면 좋다. 예를 들어, 화소 전극의 일부 또는 전체가 알루미늄, 은 등을 가지도록 하면 좋다. 또한, 이 경우에는 반사 전극 아래에 SRAM 등의 기억 회로를 제공할 수도 있다. 이로써, 소비 전력을 더 저감할 수 있다.
또한, LED를 사용하는 경우, LED의 전극이나 질화물 반도체 아래에 그래핀이나 그래파이트를 배치하여도 좋다. 그래핀이나 그래파이트는 복수의 층을 중첩시켜 다층막으로 하여도 좋다. 이와 같이 그래핀이나 그래파이트를 제공하면 그 위에 질화물 반도체(예를 들어 결정을 가지는 n형 GaN 반도체) 등을 용이하게 성막할 수 있다. 그 위에 결정을 가지는 p형 GaN 반도체 등을 더 제공하여 LED를 구성할 수 있다. 또한, 그래핀이나 그래파이트와, 결정을 가지는 n형 GaN 반도체 사이에 AlN층을 제공하여도 좋다. 또한, LED가 가지는 GaN 반도체는 MOCVD(metal oxide chemical vapor deposition)로 성막하여도 좋다. 다만, 그래핀을 제공하는 경우, LED가 가지는 GaN 반도체는 스퍼터링법으로 성막할 수도 있다.
<전자 기기>
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 표시 기기, 퍼스널 컴퓨터, 기록 매체를 구비한 화상 재생 장치(대표적으로는 DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체를 재생하여 그 화상을 표시할 수 있는 디스플레이를 가지는 장치)에 사용될 수 있다. 이 외에도 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용할 수 있는 전자 기기로서 휴대 전화, 게임기(휴대용 게임기를 포함함), 휴대 데이터 단말, 전자 서적 단말, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라 등의 카메라, 고글형 디스플레이(헤드 마운티드 디스플레이), 내비게이션 시스템, 음향 재생 장치(카 오디오, 디지털 오디오 플레이어 등), 복사기, 팩시밀리, 프린터, 프린터 복합기, 현금 자동 입출금기(ATM), 자동 판매기 등을 들 수 있다. 이들 전자 기기의 구체적인 예를 도 31에 도시하였다.
도 31의 (A)에 도시된 휴대용 게임기는 하우징(901), 하우징(902), 표시부(903), 표시부(904), 마이크로폰(905), 스피커(906), 조작 키(907), 스타일러스(908) 등을 가진다. 또한, 도 31의 (A)에 도시된 휴대용 게임기는 2개의 표시부(903 및 904)를 가지고 있지만, 휴대용 게임기가 가지는 표시부의 수는 이에 한정되지 않는다.
도 31의 (B)에 도시된 휴대 데이터 단말은 하우징(911), 하우징(912), 표시부(913), 표시부(914), 접속부(915), 조작 키(916) 등을 가진다. 표시부(913)는 하우징(911)에 제공되고, 표시부(914)는 하우징(912)에 제공되어 있다. 그리고, 하우징(911)과 하우징(912)은 접속부(915)에 의하여 연결되어 있고, 하우징(911)과 하우징(912) 사이의 각도는 접속부(915)로 조정할 수 있다. 표시부(913)에 표시되는 영상을 접속부(915)에서의 하우징(911)과 하우징(912) 사이의 각도에 따라 전환하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 표시부(913) 및 표시부(914) 중 적어도 한쪽에 위치 입력 장치로서의 기능이 부가된 표시 장치를 사용하여도 좋다. 또한, 위치 입력 장치로서의 기능은 표시 장치에 터치 패널을 제공함으로써 부가할 수 있다. 또는, 위치 입력 장치로서의 기능은 포토센서라고도 불리는 광전 변환 소자를 표시 장치의 화소부에 제공하는 것에 의해서도 부가할 수 있다.
도 31의 (C)에 도시된 노트북형 퍼스널 컴퓨터는 하우징(921), 표시부(922), 키보드(923), 및 포인팅 디바이스(924) 등을 가진다.
도 31의 (D)에 도시된 전기 냉동 냉장고는 하우징(931), 냉장실용 도어(932), 및 냉동실용 도어(933)를 가진다.
도 31의 (E)에 도시된 비디오 카메라는 하우징(941), 하우징(942), 표시부(943), 조작 키(944), 렌즈(945), 및 접속부(946) 등을 가진다. 조작 키(944) 및 렌즈(945)는 하우징(941)에 제공되고, 표시부(943)는 하우징(942)에 제공되어 있다. 그리고, 하우징(941)과 하우징(942)은 접속부(946)에 의하여 연결되어 있고, 하우징(941)과 하우징(942) 사이의 각도는 접속부(946)로 조정할 수 있다. 표시부(943)에 표시되는 영상을 접속부(946)에서의 하우징(941)과 하우징(942) 사이의 각도에 따라 전환하는 구성으로 하여도 좋다.
도 31의 (F)에 도시된 자동차는 차체(951), 차륜(952), 대시보드(953), 및 라이트(954) 등을 가진다.
(실시예 1)
본 실시예에서는 산화물 반도체의 유전율을 밀도 범함수 섭동론에 의하여 평가하였다.
계산에 사용하는 산화물 반도체는 산화 아연, In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물, 및 In:Ga:Zn=3:1:2[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물로 하였다. 계산에 사용한 구조에서 산화 아연의 경우는 원자수를 4개, In-Ga-Zn 산화물의 경우는 원자수를 28개로 하였다.
산화 아연에 대해서는 섬유 아연석형 구조의 경우를 가정하였다(도 32의 (A) 참조). In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물에 대해서는 상동 구조를 취하는 InGaO3(ZnO)m에서 m이 1인 경우를 가정하였다(도 32의 (B) 참조). 또한, In:Ga:Zn=3:1:2[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물에 대해서는 In:Ga:Zn=1:1:1[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물과 같은 구조를 가정하여 Ga-Zn-O층의 Ga를 In으로 치환함으로써 조성을 조정한 것을 사용하였다. 따라서, Ga를 In으로 치환하는 위치에 따라 복수 종류의 구조를 취할 수 있다. 여기서는 3종류의 구조를 가정하였다. 구조 최적화 전의 원자 배치를 각각 도 32의 (C), (D), 및 (E)에 도시하였다. 또한, 도 32의 (C)에는 Ga-Zn-O층의 한 열에서 모든 Ga를 In으로 치환한 구조(구조 A라고도 표기함)를 도시하였다. 도 32의 (D)에는 a-c면상에서 In 및 Ga를 번갈아 배치한 구조(구조 B라고도 표기함)를 도시하였다. 또한, 도 32의 (E)에는 하나의 a-c면상에 In들을 배치하고, 다른 a-c면상에 Ga들을 배치한 구조(구조 C라고도 표기함)를 도시하였다. 또한, 도 32의 (F)에는 각 심벌에 대응하는 원소를 나타내었다.
다음에, 제 1 원리 계산에 의하여 도 32의 (A), (B), (C), (D), 및 (E)에 도시된 구조의 구조 최적화를 수행하였다. 또한, 계산에는 평면파 기저 제 1 원리 계산 소프트웨어 VASP(Vienna ab-initio simulation package)를 사용하였다. 또한, 범함수로서는 GGA-PBE를 사용하였다. 또한, 평면파의 컷오프 에너지를 산화 아연의 경우는 800eV로, In-Ga-Zn 산화물의 경우는 600eV로 하였다. 또한, PAW(Projector Augmented Wave)법에 의하여 내각 전자의 효과를 고려하였다. 구조 최적화 후의 구조를 각각 도 33의 (A), (B), (C), (D), 및 (E)에 도시하였다. 구조 최적화 후에도, 가정한 구조에 큰 흐트러짐은 보이지 않았다. 또한, 구조 최적화에 있어서 산화 아연의 경우는 24×24×16의 k점 메시로 하고, In-Ga-Zn 산화물의 경우는 1×1×1의 k점 메시로 하였다. 또한, 도 33의 (F)에는 각 심벌에 대응하는 원소를 나타내었다.
In:Ga:Zn=3:1:2[원자수비]의 In-Ga-Zn 산화물의 최적화 후에 있어서의 각 구조의 에너지는, 도 33의 (C)에 도시된 구조가 -149.493eV, 도 33의 (D)에 도시된 구조가 -149.673eV, 도 33의 (E)에 도시된 구조가 -149.810eV가 되었다. 따라서, 도 33의 (E)에 도시된 구조, 도 33의 (D)에 도시된 구조, 도 33의 (C)에 도시된 구조의 순서로 구조가 안정하였다.
다음에, 구조 최적화 후의 구조에 대하여 정적 유전율의 계산을 수행한다. 결과는 아래의 표와 같다. 또한, 계산은 구조 최적화에 사용한 조건과 같게 하였다. 또한, 유전율의 산출에 있어서 산화 아연의 경우는 24×24×16의 k점 메시로 하고, In-Ga-Zn 산화물의 경우는 11×9×6의 k점 메시로 하였다.
(표 1)
Figure pat00001
산화 아연에 착안하면 c축에 평행한 방향의 정적 유전율 ε0∥c(ε0 33 또는 ε0 zz라고도 표기함)가 약간 높지만 c축에 수직인 방향의 정적 유전율 ε0⊥c(ε0 11 또는 ε0 xx, 및 ε0 22 또는 ε0 yy라고도 표기함)와 거의 같은 정도였다. 또한, 위의 표에는 산화 아연의 실험값(J. Wrobel, Krzysztof J. Kurzydlowski, K. Hummer, G. Kresse and J. Piechota: Physical Review B 2009, Volume 80, 155124 참조)도 병기한다. 계산값과 실험값을 비교하여, 계산값이 실험값의 경향을 재현할 수 있었음을 알았다. 하지만, 정적 유전율의 절대값에 착안하면 계산값이 실험값보다 과대 평가되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 본 계산 방법에서 에너지 갭을 과소 평가하는 것에 기인한다. 따라서, 여기서 얻어진 정적 유전율은 상대적인 값이며 실제로는 조금 더 낮은 값이 될 가능성이 높다. 또한, ε0 xx와 ε0 yy와 ε0 zz는 서로 직교하는 방향의 정적 유전율을 나타낸다.
다음에, In-Ga-Zn 산화물에 착안하면, 모든 조건에서 c축에 평행한 방향의 정적 유전율 ε0 zz가 크고 c축에 수직인 방향의 정적 유전율 ε0 xx 및 ε0 yy가 낮은 것을 알았다. 즉, ε0 xx 및 ε0 yy가 ε0 zz보다 낮다는 것을 알 수 있다. 또한, 여기서는 계산값만을 나타내었지만 In-Ga-Zn 산화물에 관해서도 정적 유전율의 절대값은 실험값과의 비교에 의하여 도출할 수 있다.
본 실시예로부터 In-Ga-Zn 산화물의 결정이 유전 이방성을 가짐을 알았다. 따라서, 예를 들어 배향성을 가지는 In-Ga-Zn 산화물은 유전 이방성을 가지고 있을 가능성이 높다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 채널 형성 영역의 유전율과 트랜지스터의 전기 특성의 관련을 계산에 의하여 평가하였다.
도 34의 (A), (B), 및 (C)는 전기 특성을 계산한 삼차원 구조의 트랜지스터의 단면도이다. 또한, 도 34의 (A)는 채널 길이 방향의 단면도이다. 또한, 도 34의 (B)는 도 34의 (A)를 일점 쇄선 B를 따라 자른 단면도이다. 또한, 도 34의 (C)는 도 34의 (A)를 일점 쇄선 C를 따라 자른 단면도이다.
도 34의 (A)에 도시된 트랜지스터는 제 1 절연체(BI라고 표기함); BI 위의 제 1 반도체(S1이라고 표기함); S1 위의 제 2 반도체(S2라고 표기함); S2 위의 제 1 도전체 및 제 2 도전체(모두 ME라고 표기함); S2 위 및 ME 위의 제 3 반도체(S3이라고 표기함); S3 위의 제 2 절연체(GI라고 표기함); GI 위의 제 3 도전체(GE라고 표기함)를 가진다. 또한, 트랜지스터는 제 3 절연체(PI라고도 표기함)로 덮여 있다. 도 34의 (A)에서 2개의 ME 사이의 길이가 채널 길이(L이라고도 표기함)이다. 또한, 각 ME와 GE가 중첩되는 영역의 길이가 오버랩 길이(Lov라고도 표기함)이다.
또한, S2는 채널 형성 영역으로서의 기능을 가진다. 또한, ME는 소스 전극 및 드레인 전극으로서의 기능을 가진다. 또한, GI는 게이트 절연체로서의 기능을 가진다. 또한, GE는 게이트 전극으로서의 기능을 가진다.
또한, 도 34의 (A)에서 상하 방향(예를 들어, c축 방향)의 S2의 비유전율을 ε_c라고 표기한다. 또한, 좌우 방향(예를 들어, a축 방향 및 b축 방향)의 S2의 비유전율을 ε_ab라고 표기한다. 또한, 도 34의 (B) 및 (C)에서도 상하 방향의 S2의 비유전율은 ε_c이고, 좌우 방향의 S2의 비유전율은 ε_ab이다(미도시).
도 34의 (B)에서 S1의 바닥 부분의 길이가 채널 폭(W라고도 표기함)이다. 또한, 도 34의 (B)에 도시된 바와 같이 S2의 상면 및 측면은 S3 및 GI를 개재하여 GE와 면하는 구조를 가진다. 또한, S2의 하면에서 GE와 GI의 계면(GE의 최하면)까지의 높이를 h라고 표기한다.
도 34의 (A) 및 (C)에 도시된 바와 같이 ME는 S2 측면과 접촉되는 영역을 가지지 않는다.
계산 소프트웨어로서는 Synopsys사의 Sentaurus를 사용하였다. 또한, 계산에 사용한 조건은 아래의 표와 같다.
(표 2)
Figure pat00002
또한, S2에는 ME와의 계면 근방에 두께 1nm의 저저항 영역(ME 아래라고도 표기함)을 배치하였다. 또한, BI보다 더 아래에, 전위를 고정하기 위한 백 게이트 전극(BG라고도 표기함)을 배치하였다. 또한, Nc는 전도띠의 실효 상태 밀도, Nv는 원자가띠의 실효 상태 밀도를 나타낸다.
계산으로 도출한 Id-Vg 특성을 도 35에 나타내었다. 또한, 드레인 전압(Vd)은 1.8V로 하였다. 도 35의 (A)는 W가 30nm인 경우의 Id-Vg 특성이다. 도 35의 (B)는 W가 60nm인 경우의 Id-Vg 특성이다. 도 35의 (C)는 W가 90nm인 경우의 Id-Vg 특성이다. 도 35의 (D)는 W가 120nm인 경우의 Id-Vg 특성이다. 도 35의 (E)는 W가 150nm인 경우의 Id-Vg 특성이다. 도 35의 (F)는 W가 180nm인 경우의 Id-Vg 특성이다.
도 35의 Id-Vg 특성으로부터 드레인 전류(Id)가 1×10-12A일 때의 게이트 전압(Vg)과 ε_ab의 관계를 도출하여 도 36의 (A)에 나타내었다. 도 36의 (A)로부터 어느 채널 폭의 경우에도 드레인 전류(Id)가 1×10-12A일 때의 게이트 전압(Vg)은 ε_ab가 작을수록 높은 값을 취하는 것을 알았다.
또한, 도 35의 Id-Vg 특성으로부터 서브스레숄드 스윙값과 ε_ab의 관계를 도출하여 도 36의 (B)에 나타내었다. 도 36의 (B)로부터 어느 채널 폭의 경우에도 ε_ab가 작을수록 낮은 서브스레숄드 스윙값을 취하는 것을 알았다.
다음에, 도 35의 Id-Vg 특성으로부터 트랜지스터의 전계 효과 이동도를 도출하였다(도 37 참조). 또한, 도 35의 (A), (B), (C), (D), (E), 및 (F)는 도 37의 (A), (B), (C), (D), (E), 및 (F)와 각각 대응한다.
도 37로부터 어느 채널 폭의 경우에도 ε_ab가 낮을수록 전계 효과 이동도가 높아지는 것을 알았다.
상술한 바와 같이, ε_c를 고정하고 ε_ab를 변화시키는 경우, ε_ab가 낮을수록 트랜지스터의 전기 특성이 양호해지는 것을 알 수 있다.
200: 촬상 장치
201: 스위치
202: 스위치
203: 스위치
210: 화소부
211: 화소
212: 부화소
212B: 부화소
212G: 부화소
212R: 부화소
220: 광전 변환 소자
230: 화소 회로
231: 배선
247: 배선
248: 배선
249: 배선
250: 배선
253: 배선
254: 필터
254B: 필터
254G: 필터
254R: 필터
255: 렌즈
256: 광
257: 배선
260: 주변 회로
270: 주변 회로
280: 주변 회로
290: 주변 회로
291: 광원
300: 실리콘 기판
310: 층
320: 층
330: 층
340: 층
351: 트랜지스터
352: 트랜지스터
353: 트랜지스터
360: 포토다이오드
361: 애노드
363: 저저항 영역
370: 플러그
371: 배선
372: 배선
373: 배선
380: 절연체
400: 기판
401: 절연체
402: 절연체
404: 도전체
406: 반도체
406a: 반도체
406c: 반도체
408: 절연체
412: 절연체
413: 도전체
414: 도전체
416a: 도전체
416b: 도전체
418: 절연체
423a: 저저항 영역
423b: 저저항 영역
424a: 도전체
424b: 도전체
426a: 도전체
426b: 도전체
428: 절연체
450: 반도체 기판
452: 절연체
454: 도전체
456: 영역
460: 영역
462: 절연체
464: 절연체
466: 절연체
468: 절연체
472a: 영역
472b: 영역
474a: 도전체
474b: 도전체
474c: 도전체
476a: 도전체
476b: 도전체
478a: 도전체
478b: 도전체
478c: 도전체
480a: 도전체
480b: 도전체
480c: 도전체
490: 절연체
492: 절연체
494: 절연체
496a: 도전체
496b: 도전체
496c: 도전체
496d: 도전체
498a: 도전체
498b: 도전체
498c: 도전체
498d: 도전체
600: 기판
604: 도전체
606: 반도체
612: 절연체
613: 도전체
616a: 도전체
616b: 도전체
618: 절연체
620: 절연체
700: 기판
704a: 도전체
704b: 도전체
706: 반도체
712a: 절연체
712b: 절연체
714a: 도전체
714b: 도전체
716a: 도전체
716b: 도전체
718a: 절연체
718b: 절연체
718c: 절연체
719: 발광 소자
720: 절연체
721: 절연체
731: 단자
732: FPC
733a: 배선
734: 실재
735: 구동 회로
736: 구동 회로
737: 화소
741: 트랜지스터
742: 용량 소자
743: 스위칭 소자
744: 신호선
750: 기판
751: 트랜지스터
752: 용량 소자
753: 액정 소자
754: 주사선
755: 신호선
781: 도전체
782: 발광층
783: 도전체
784: 격벽
791: 도전체
792: 절연체
793: 액정층
794: 절연체
795: 스페이서
796: 도전체
797: 기판
901: 하우징
902: 하우징
903: 표시부
904: 표시부
905: 마이크로폰
906: 스피커
907: 조작 키
908: 스타일러스
911: 하우징
912: 하우징
913: 표시부
914: 표시부
915: 접속부
916: 조작 키
921: 하우징
922: 표시부
923: 키보드
924: 포인팅 디바이스
931: 하우징
932: 냉장실용 도어
933: 냉동실용 도어
941: 하우징
942: 하우징
943: 표시부
944: 조작 키
945: 렌즈
946: 접속부
951: 차체
952: 차륜
953: 대시보드
954: 라이트
1189: ROM 인터페이스
1190: 기판
1191: ALU
1192: ALU 컨트롤러
1193: 인스트럭션 디코더
1194: 인터럽트 컨트롤러
1195: 타이밍 컨트롤러
1196: 레지스터
1197: 레지스터 컨트롤러
1198: 버스 인터페이스
1199: ROM
1200: 기억 소자
1201: 회로
1202: 회로
1203: 스위치
1204: 스위치
1206: 논리 소자
1207: 용량 소자
1208: 용량 소자
1209: 트랜지스터
1210: 트랜지스터
1213: 트랜지스터
1214: 트랜지스터
1220: 회로
2100: 트랜지스터
2200: 트랜지스터
3001: 배선
3002: 배선
3003: 배선
3004: 배선
3005: 배선
3200: 트랜지스터
3300: 트랜지스터
3400: 용량 소자
5100: 나노 결정
5120: 기판
5161: 영역

Claims (10)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    절연체;
    반도체; 및
    도전체를 포함하고,
    상기 반도체는 상기 절연체를 개재(介在)하여 상기 도전체와 중첩되는 영역을 포함하고,
    상기 영역 상면에 수직인 제 1 방향의 상기 영역의 제 1 유전율은 상기 상면에 평행한 제 2 방향의 상기 영역의 제 2 유전율보다 높은, 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영역은 결정부를 포함하고,
    상기 결정부의 결정축은 배향성을 가지는, 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 방향은 채널 폭 방향인, 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체는 인듐, 아연, 및 원소 M 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물을 포함하고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석인, 반도체 장치.
  5. 반도체 장치에 있어서,
    절연체;
    반도체; 및
    도전체를 포함하고,
    상기 반도체는 상기 절연체를 개재하여 상기 도전체와 중첩되는 영역을 포함하고,
    상기 반도체는 결정 구조를 가지는 부분을 포함하고,
    상기 결정 구조는 제 1 결정축 및 제 2 결정축을 가지고,
    상기 결정 구조에 있어서 상기 제 1 결정축의 방향의 제 1 유전율은 상기 제 2 결정축의 방향의 제 2 유전율보다 높은, 반도체 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 결정축은 상기 반도체 상면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 배향되어 있는, 반도체 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체는 인듐, 아연, 및 원소 M 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물을 포함하고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석인, 반도체 장치.
  8. 반도체 장치에 있어서,
    제 1 절연체;
    상기 제 1 절연체 위의 반도체;
    상기 반도체 위에 있고 상기 반도체와 접촉되는 제 1 도전체 및 제 2 도전체;
    상기 반도체, 상기 제 1 도전체, 및 상기 제 2 도전체 위에 있고 상기 반도체, 상기 제 1 도전체, 및 상기 제 2 도전체와 접촉되는 제 2 절연체; 및
    상기 제 2 절연체 위의 제 3 도전체를 포함하고,
    상기 반도체는 상기 제 2 절연체를 개재하여 상기 제 3 도전체와 중첩되는 영역을 포함하고,
    상기 반도체는 결정 구조를 가지는 부분을 포함하고,
    상기 결정 구조는 제 1 결정축 및 제 2 결정축을 가지고,
    상기 결정 구조에 있어서 상기 제 1 결정축의 방향의 제 1 유전율은 상기 제 2 결정축의 방향의 제 2 유전율보다 높은, 반도체 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 결정축은 상기 반도체 상면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 배향되어 있는, 반도체 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체는 인듐, 아연, 및 원소 M 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물을 포함하고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석인, 반도체 장치.
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