KR20170003674A - 반도체 장치 및 그 제작 방법 - Google Patents

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KR20170003674A
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transistor
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히데카즈 미야이리
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 절연체, 소스 전극으로서의 제 1 도전체, 드레인 전극으로서의 제 2 도전체, 게이트 전극으로서의 제 3 도전체, 및 섬 형상 반도체를 포함하는 반도체 장치를 제공한다. 제 1 도전체는 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면을 포함한다. 제 2 도전체는 제 4 측면을 포함한다. 제 1 도전체 및 제 2 도전체는 제 1 측면 및 제 4 측면이 대향하도록 위치한다. 제 1 도전체는 제 1 측면과 제 2 측면 사이의 제 1 모서리부를 포함하고 제 2 측면과 제 3 측면 사이의 제 2 모서리부를 포함한다. 제 1 모서리부는 제 2 모서리부보다 작은 곡률 반경을 갖는 부분을 포함한다.

Description

반도체 장치 및 그 제작 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 예를 들어 트랜지스터 및 반도체 장치, 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 예를 들어 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 전력 저장 장치, 기억 장치, 프로세서, 또는 전자 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 기억 장치, 또는 전자 장치의 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명은 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 기억 장치, 또는 전자 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 상술한 기술 분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 개시(開示)된 발명의 일 실시예의 기술 분야는 물건, 방법, 또는 제작 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명의 일 실시예는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다.
본 명세서 등에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 말한다. 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 전자 광학 장치, 반도체 회로, 및 전자 장치는 반도체 장치를 포함하는 경우가 있다.
절연 표면을 갖는 기판 위의 반도체를 사용하여 트랜지스터를 형성하는 기술이 주목받고 있다. 이 트랜지스터는 집적 회로 및 표시 장치 등의 광범위의 반도체 장치에 응용되고 있다. 트랜지스터에 적용 가능한 반도체로서는 실리콘이 알려져 있다.
트랜지스터의 반도체로서 사용되는 실리콘으로서, 목적에 따라 비정질 실리콘이나 다결정 실리콘이 사용된다. 예를 들어, 대형 표시 장치에 포함되는 트랜지스터의 경우, 확립된 기술로 대형 기판에 막을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 비정질 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 구동 회로와 화소 회로가 같은 기판 위에 형성되는 고성능의 표시 장치에 포함되는 트랜지스터의 경우, 높은 전계 효과 이동도를 갖는 트랜지스터의 형성에 사용될 수 있는 다결정 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 다결정 실리콘의 형성 방법으로서는 비정질 실리콘에 수행되는 고온 가열 처리 또는 레이저 광 처리가 알려져 있다.
최근에는 비정질 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터 및 미결정을 포함하는 비정질 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터가 개시되어 있다(특허문헌 1 참조). 산화물 반도체는, 스퍼터링법 등에 의하여 퇴적될 수 있기 때문에, 대형 표시 장치의 트랜지스터의 반도체에 사용될 수 있다. 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터는 높은 전계 효과 이동도를 갖기 때문에, 예를 들어 구동 회로와 화소 회로가 같은 기판 위에 형성되는 고성능의 표시 장치를 얻을 수 있다. 또한, 비정질 실리콘을 포함하는 트랜지스터의 생산 설비의 일부를 개량하여 이용할 수 있기 때문에, 설비 투자를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
2014년에는, 결정성 In-Ga-Zn 산화물을 포함하는 트랜지스터가, 비정질 In-Ga-Zn 산화물을 포함하는 트랜지스터보다 더 우수한 전기 특성 및 높은 신뢰성을 갖는 것이 보고되어 있다(비특허문헌 1 참조). 비특허문헌 1에서는 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)를 포함하는 In-Ga-Zn 산화물에서 결정립계가 명확히 관찰되지 않는 것이 보고되어 있다.
산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터는, 비도통 상태의 누설 전류가 매우 낮은 것이 알려져 있다. 예를 들어, 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 이용한 저소비 전력의 CPU 등이 개시되어 있다(특허문헌 2 참조). 특허문헌 3에서는, 산화물 반도체로 형성된 활성층을 사용하여 형성된 우물형 퍼텐셜에 의하여, 높은 전계 효과 이동도를 갖는 트랜지스터가 얻어질 수 있다는 것이 개시되어 있다.
일본 특허공개공보 제 2006-165528호 일본 특허공개공보 제 2012-257187호 일본 특허공개공보 제 2012-59860호
S. Yamazaki, H. Suzawa, K. Inoue, K. Kato, T. Hirohashi, K. Okazaki, and N. Kimizuka, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 53, 2014, 04ED18
하나의 목적은 우수한 전기 특성의 반도체 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 안정적인 전기 특성의 반도체 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 전기 특성의 편차가 작은 반도체 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 집적도가 높은 반도체 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 반도체 장치를 포함하는 모듈을 제공하는 것이다. 다른 목적은 반도체 장치 또는 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공하는 것이다.
다른 목적은 신규 반도체 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 신규 모듈을 제공하는 것이다. 다른 목적은 신규 전자 장치를 제공하는 것이다.
또한, 이들 목적의 설명은 다른 목적의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서, 모든 목적을 달성할 필요는 없다. 다른 목적은 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 명확해지고 추출될 수 있다.
(1) 본 발명의 일 실시예는 절연체, 제 1 도전체, 제 2 도전체, 제 3 도전체, 및 섬 형상 반도체를 포함하는 반도체 장치이다. 제 1 도전체는 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 1 도전체는 반도체의 측면에 접촉되는 영역을 포함하지 않는다. 제 2 도전체는 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 2 도전체는 반도체의 측면에 접촉되는 영역을 포함하지 않는다. 제 3 도전체는 반도체 및 제 3 도전체가 절연체를 개재(介在)하여 서로 중첩되는 영역을 포함한다. 제 1 도전체는 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면을 포함한다. 제 2 도전체는 제 4 측면을 포함한다. 제 1 도전체 및 제 2 도전체는 제 1 측면 및 제 4 측면이 서로 대향하도록 위치한다. 제 1 도전체는 제 1 측면과 제 2 측면 사이의 제 1 모서리부 및 제 2 측면과 제 3 측면 사이의 제 2 모서리부를 포함한다. 제 1 모서리부는 제 2 모서리부보다 작은 곡률 반경을 갖는 부분을 포함한다.
(2) 본 발명의 일 실시예는 제 1 절연체, 제 2 절연체, 제 1 도전체, 제 2 도전체, 제 3 도전체, 제 4 도전체, 및 반도체를 포함하는 반도체 장치이다. 반도체는 제 1 절연체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 1 도전체는 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 2 도전체는 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 2 절연체는 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함한다. 제 3 도전체는 반도체 및 제 3 도전체가 제 2 절연체를 개재하여 서로 중첩되는 영역을 포함한다. 제 4 도전체에 도달하는 개구는 반도체 및 제 1 절연체에 제공된다. 제 1 도전체는 개구를 통하여 제 4 도전체에 접촉되는 영역을 포함한다.
(3) 본 발명의 일 실시예는 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는 (1) 또는 (2)에 설명된 반도체 장치이다.
(4) 본 발명의 일 실시예는 반도체가 인듐, 원소 M(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나), 및 아연을 포함하는 산화물인 (1)~(3) 중 어느 하나에 설명된 반도체 장치이다.
(5) 본 발명의 일 실시예는 반도체가 제 1 반도체 및 제 2 반도체를 포함하고 제 1 반도체는 제 2 반도체보다 전자 친화력이 높은 (1)~(4) 중 어느 하나에 설명된 반도체 장치이다.
(6) 본 발명의 일 실시예는, 제 1 반도체를 퇴적하는 단계, 제 1 반도체 위에 제 1 도전체를 퇴적하는 단계, 제 1 도전체의 일부를 에칭하여 제 2 도전체를 형성하고 제 1 반도체의 일부를 노출시키는 단계, 제 2 도전체의 일부 및 제 1 반도체의 노출된 일부 위에 레지스트를 형성하는 단계, 레지스트를 마스크로서 사용하여 제 2 도전체를 에칭함으로써 제 3 도전체 및 제 4 도전체를 형성하는 단계, 및 레지스트, 제 3 도전체, 및 제 4 도전체를 마스크로서 사용하여 제 1 반도체를 에칭함으로써 제 2 반도체를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제작 방법이다.
(7) 본 발명의 일 실시예는 제 2 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는 (6)에 설명된 반도체 장치의 제작 방법이다.
(8) 본 발명의 일 실시예는, 제 1 반도체를 퇴적하는 단계, 제 1 반도체의 일부를 에칭함으로써 제 2 반도체를 형성하는 단계, 제 2 반도체 위에 제 1 도전체를 퇴적하는 단계, 제 1 도전체의 일부를 에칭함으로써 제 2 반도체의 일부를 노출시키고 제 2 도전체를 형성하는 단계, 제 2 도전체의 일부 및 제 2 반도체의 노출된 부분 위에 레지스트를 형성하는 단계, 레지스트를 마스크로서 사용하여 제 2 도전체를 에칭함으로써 제 3 도전체 및 제 4 도전체를 형성하는 단계, 및 레지스트, 제 3 도전체, 및 제 4 도전체를 마스크로서 사용하여 제 2 반도체를 에칭함으로써 제 3 반도체를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제작 방법이다.
(9) 본 발명의 일 실시예는 제 3 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는 (8)에 설명된 반도체 장치의 제작 방법이다.
(10) 본 발명의 일 실시예는 제 1 반도체가 인듐, 원소 M(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나), 및 아연을 포함하는 산화물인 (6)~(9) 중 어느 하나에 설명된 반도체 장치의 제작 방법이다.
우수한 전기 특성의 반도체 장치를 제공할 수 있다. 안정적인 전기 특성의 반도체 장치를 제공할 수 있다. 전기 특성의 변동이 작은 반도체 장치를 제공할 수 있다. 집적도가 높은 반도체 장치를 제공할 수 있다. 상기 반도체 장치를 포함하는 모듈을 제공할 수 있다. 상기 반도체 장치 또는 상기 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.
신규 반도체 장치를 제공할 수 있다. 신규 모듈을 제공할 수 있다. 신규 전자 장치를 제공할 수 있다.
또한, 이들 효과의 설명은 다른 효과의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서 상술한 모든 효과를 얻을 필요는 없다. 다른 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 명확해지고 추출될 수 있다.
도 1의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 2의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 3의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 4의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 5의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 6의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 7의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 8의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 9의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 10의 (A) 및 (B)는 트랜지스터를 제작하는 방법을 도시한 상면도 및 단면도.
도 11의 (A) 및 (B)는 트랜지스터의 상면도 및 단면도.
도 12의 (A) 및 (B)는 트랜지스터의 상면도 및 단면도.
도 13의 (A) 및 (B)는 트랜지스터의 단면도 및 밴드 다이어그램.
도 14의 (A) 및 (B)는 각각 반도체 장치의 회로도.
도 15는 반도체 장치의 단면도.
도 16은 반도체 장치의 단면도.
도 17은 반도체 장치의 단면도.
도 18은 반도체 장치의 단면도.
도 19는 반도체 장치의 단면도.
도 20은 반도체 장치의 단면도.
도 21의 (A) 및 (B)는 각각 기억 장치의 회로도.
도 22는 반도체 장치의 단면도.
도 23은 반도체 장치의 단면도.
도 24는 반도체 장치의 단면도.
도 25는 반도체 장치의 단면도.
도 26은 반도체 장치의 단면도.
도 27은 반도체 장치의 단면도.
도 28은 CPU를 도시한 블록 다이어그램.
도 29는 기억 소자의 회로도.
도 30의 (A)~(C)는 표시 장치의 상면도 및 회로도.
도 31의 (A)~(F)는 각각 전자 장치를 도시한 것.
도 32의 (A)~(D)는 CAAC-OS의 단면의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지 및 CAAC-OS의 단면 모식도.
도 33의 (A)~(D)는 CAAC-OS의 평면의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지.
도 34의 (A)~(C)는 XRD에 의한 CAAC-OS 및 단결정 산화물 반도체의 구조 해석을 나타낸 것.
도 35의 (A) 및 (B)는 CAAC-OS의 전자 회절 패턴을 나타낸 것.
도 36은 전자 조사에 의하여 유발된 In-Ga-Zn 산화물의 결정부의 변화를 나타낸 것.
이하에서, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하 설명에 한정되지 않고, 여기서 개시한 실시예 및 자세한 사항이 다양하게 변형될 수 있다는 것이 통상의 기술자에 의하여 용이하게 이해된다. 또한, 본 발명은 실시예의 설명에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 도면을 참조하여 본 발명의 구조를 설명하는 데 있어서, 다른 도면들에서 같은 부분에는 공통의 부호가 사용된다. 또한, 같은 해치 패턴이 비슷한 부분에 적용되고, 비슷한 부분은 부호에 의하여 특별히 제시되지 않는 경우가 있다.
또한, 도면에서의 크기, 막(층) 두께, 또는 영역은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다.
본 명세서에서, 용어 "막" 및 "층"은 서로 교환될 수 있다.
곡면을 갖는 두 개의 측면 사이의 부분은 "모서리부"라고 불린다. 두 개의 측면 사이의 부분이 곡면을 갖는 경우, 두 개의 측면은 하나의 곡면으로서 나타내어질 수도 있다.
전압이란 어떤 전위와 기준의 전위(예를 들어, 접지 전위(GND) 또는 소스 전위)의 전위 차이를 말하는 경우가 많다. 전압은 전위라고 말할 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
또한, 본 명세서에서 "제 1" 및 "제 2"와 같은 서수사는 편의상 사용되고, 단계의 순서 또는 층의 적층 순서를 나타내지 않는다. 따라서, 예를 들어, "제 1"이라는 용어를 "제 2", "제 3" 등의 용어로 적절히 바꿀 수 있다. 또한, 본 명세서 등에서의 서수사는 본 발명의 일 실시예를 특정하는 서수사와 같을 필요는 없다.
또한, "반도체"는 예를 들어, 도전성이 충분히 낮을 때, "절연체"의 특성을 포함하는 경우가 있다. 또한, "반도체" 및 "절연체"는 "반도체"와 "절연체"의 경계가 명백하지 않기 때문에, 서로를 엄격히 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에서의 "반도체"를 "절연체"라고 부를 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에서의 "절연체"를 "반도체"라고 부를 수 있는 경우가 있다.
또한, "반도체"는 예를 들어, 도전성이 충분히 높을 때, "도전체"의 특성을 포함하는 경우가 있다. 또한, "반도체" 및 "도전체"는 "반도체"와 "도전체"의 경계가 명백하지 않기 때문에, 서로를 엄격히 구별할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에서의 "반도체"를 "도전체"라고 부를 수 있는 경우가 있다. 마찬가지로, 본 명세서에서의 "도전체"를 "반도체"라고 부를 수 있는 경우가 있다.
또한, 반도체의 불순물이란, 예를 들어, 반도체의 주성분 외의 원소를 말한다. 예를 들어, 농도가 0.1atomic% 미만의 원소는 불순물이다. 불순물이 포함되면, 예를 들어, DOS(density of state)가 반도체에 형성되거나, 캐리어 이동도가 저하되거나, 또는 결정성이 낮아지는 경우가 있다. 반도체가 산화물 반도체인 경우, 반도체의 특성을 변화시키는 불순물의 예에는, 1족 원소, 2족 원소, 14족 원소, 15족 원소, 및 주성분 외의 전이 금속이 포함되고; 구체적으로는 예를 들어, 수소(물에 포함됨), 리튬, 소듐, 실리콘, 붕소, 인, 탄소, 및 질소가 있다. 산화물 반도체의 경우, 수소 등의 불순물이 들어감으로써 산소 빈자리가 형성될 수 있다. 또한, 반도체가 실리콘인 경우에는, 반도체의 특성을 변화시키는 불순물의 예에는, 산소, 수소를 제외한 1족 원소, 2족 원소, 13족 원소, 및 15족 원소가 포함된다.
본 명세서에서, "A가 농도 B의 영역을 갖는다"라는 표현은, 예를 들어, "깊이 방향에서의 A의 영역의 전체 영역의 농도가 B이다", "깊이 방향에서의 A의 영역의 평균 농도가 B이다", "깊이 방향에서의 A의 영역의 농도의 중앙값이 B이다", "깊이 방향에서의 A의 영역의 농도의 최대값이 B이다", "깊이 방향에서의 A의 영역의 농도의 최소값이 B이다", "깊이 방향에서의 A의 영역의 농도의 수렴값이 B이다", 및 "사실일 것 같은 값이 측정에서 얻어지는 A의 영역의 농도가 B이다"를 포함한다.
본 명세서에서, "A가 크기 B, 길이 B, 두께 B, 폭 B, 또는 거리 B의 영역을 갖는다"라는 표현은, 예를 들어, "A의 영역의 전체 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리가 B이다", "A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 평균값이 B이다", "A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 중앙값이 B이다", "A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 최대값이 B이다", "A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 최소값이 B이다", "A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리의 수렴값이 B이다", 및 "사실일 것 같은 값이 측정에서 얻어지는 A의 영역의 크기, 길이, 두께, 폭, 또는 거리가 B이다"를 포함한다.
또한, 채널 길이란, 예를 들어, 트랜지스터의 상면도에서, 반도체(또는 트랜지스터가 온일 때 전류가 반도체를 흐르는 부분)와 게이트 전극이 서로 중첩하는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스(소스 영역 또는 소스 전극)와 드레인(드레인 영역 또는 드레인 전극) 사이의 거리를 말한다. 하나의 트랜지스터에서 모든 영역의 채널 길이가 같은 값을 가질 필요는 없다. 바꿔 말하면, 하나의 트랜지스터의 채널 길이는 하나의 값에 고정되지 않는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에서는 채널 길이는 채널이 형성되는 영역에서의 어느 하나의 값, 최대값, 최소값, 또는 평균값이다.
채널 폭이란, 예를 들어, 반도체(또는 트랜지스터가 온일 때 전류가 반도체를 흐르는 부분)와 게이트 전극이 서로 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스와 드레인이 서로 마주 보는 부분의 길이를 말한다. 하나의 트랜지스터에서 모든 영역에서의 채널 폭이 같은 값을 가질 필요는 없다. 바꿔 말하면, 하나의 트랜지스터의 채널 폭은 하나의 값에 고정되지 않는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서에서는 채널 폭은 채널이 형성되는 영역에서의 어느 하나의 값, 최대값, 최소값, 또는 평균값이다.
또한, 트랜지스터의 구조에 따라서는, 채널이 실제로 형성되는 영역에서의 채널 폭(이하, 실효적인 채널 폭이라고 함)은, 트랜지스터의 상면도에 나타내어진 채널 폭(이하, 외견상의 채널 폭이라고 함)과 상이한 경우가 있다. 예를 들어, 입체적인 구조를 갖는 트랜지스터에서는 실효적인 채널 폭은 트랜지스터의 상면도에 나타내어진 외견상의 채널 폭보다 크고, 그 영향을 무시할 수 없는 경우가 있다. 예를 들어, 입체적인 구조를 갖는 소형화된 트랜지스터에서는, 반도체의 측면에 형성되는 채널 영역의 비율이 반도체의 상면에 형성되는 채널 영역의 비율보다 높은 경우가 있다. 이 경우에는, 채널이 실제로 형성될 때 얻어지는 실효적인 채널 폭이 상면도에 나타내어진 외견상의 채널 폭보다 크다.
입체적인 구조를 갖는 트랜지스터에서는 실효적인 채널 폭을 측정하기 어려운 경우가 있다. 예를 들어, 설계값으로부터 실효적인 채널 폭을 추산하기 위해서는 추정 조건으로서 반도체의 형상이 알려져 있다고 상정할 필요가 있다. 따라서, 반도체의 형상을 정확하게 모를 경우에는 실효적인 채널 폭을 정확하게 측정하기 어렵다.
따라서, 본 명세서에서는, 트랜지스터의 상면도에서, 반도체와 게이트 전극이 서로 중첩되는 영역에서 소스와 드레인이 서로 마주 보는 부분의 길이인 외견상의 채널 폭을 SCW(surrounded channel width)라고 말하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서, "채널 폭"이라는 용어를 단순히 사용하는 경우에는, SCW 및 외견상의 채널 폭을 나타낼 수 있다. 또는, 본 명세서에서, "채널 폭"이라는 용어를 단순히 사용하는 경우에는, 실효적인 채널 폭을 나타낼 수 있는 경우가 있다. 또한, 채널 길이, 채널 폭, 실효적인 채널 폭, 외견상의 채널 폭, SCW 등의 값은 단면 TEM 이미지 등을 얻고 분석함으로써 결정될 수 있다.
또한, 트랜지스터의 전계 효과 이동도, 채널 폭당 전류값 등을 계산에 의하여 얻는 경우, SCW가 계산에 사용될 수 있다. 이 경우, 실효적인 채널 폭을 계산에 사용하는 경우와 상이한 값이 얻어지는 경우가 있다.
또한, 본 명세서에서, "A는 단부가 B의 단부를 넘어 연장되는 형상을 갖는다"라는 기재는, 예를 들어, 상면도 또는 단면도에서 A의 단부들 중 적어도 하나가 B의 단부들 중 적어도 하나보다 외측에 위치하는 경우를 나타낼 수 있다. 따라서, "A는 단부가 B의 단부를 넘어 연장되는 형상을 갖는다"라는 기재를 "A의 단부들 중 하나는 B의 단부들 중 하나보다 외측에 위치한다"라는 기재로 바꿔 나타낼 수 있다.
본 명세서에서, "평행"이라는 용어는, 두 개의 직선 사이에 형성되는 각도가 -10° 이상 10° 이하임을 나타내기 때문에, 각도가 -5° 이상 5° 이하인 경우도 포함하는 것을 나타낸다. "실질적으로 평행"이라는 용어는, 두 개의 직선 사이에 형성되는 각도가 -30° 이상 30° 이하임을 나타낸다. "수직"이라는 용어는, 두 개의 직선 사이에 형성되는 각도가 80° 이상 100° 이하임을 나타내기 때문에, 각도가 85° 이상 95° 이하인 경우를 포함하는 것을 나타낸다. "실질적으로 수직"이라는 용어는, 두 개의 직선 사이에 형성되는 각도가 60° 이상 120° 이하임을 나타낸다.
본 명세서에서, 삼방정계 및 능면체정계(rhombohedral crystal system)는 육방정계에 포함된다.
<트랜지스터>
본 발명의 실시예의 트랜지스터에 대하여 이하에서 설명한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터의 제작에 사용된 레지스트를 형성하는 방법의 예에 대하여 설명한다. 먼저, 감광성 유기 물질 또는 무기 물질의 층이 스핀코팅법 등에 의하여 형성된다. 그리고, 감광성 유기 물질 또는 무기 물질의 층은 포토마스크를 사용하여 광으로 조사된다. 이런 광으로서는, KrF 엑시머 레이저광, ArF 엑시머 레이저광, EUV(extreme ultraviolet)광 등이 사용되면 좋다. 또는, 기판과 투사 렌즈 사이의 부분을 액체(예컨대 물)로 채워 노광을 수행하는 액침 기술이 채용되어도 좋다. 상술한 광 대신에 전자빔 또는 이온빔으로 감광성 유기 물질 또는 무기 물질의 층이 조사되어도 좋다. 또한 전자빔 또는 이온빔을 사용하는 경우 포토마스크는 불필요하다. 그 후, 감광성 유기 물질 또는 무기 물질의 층의 노광된 영역을 현상액으로 제거하거나 또는 잔존시킴으로써, 레지스트를 형성한다.
또한 본 명세서에서, "레지스트가 형성된다"란 단순한 표현은 반사 방지층(bottom anti-reflective coating(BARC))이 레지스트 아래에 형성되는 경우를 포함한다. BARC가 사용되는 경우, 먼저, BARC는 레지스트를 사용하여 에칭되고, 그리고, 레지스트 및 BARC의 사용에 의하여, 가공하는 대상물을 에칭한다. 또한 반사 방지층의 기능이 없는 유기 물질 또는 무기 물질이 BARC 대신 사용될 수 있는 경우가 있다.
본 명세서에 설명된 레지스트의 제거에는 플라스마 처리 및/또는 웨트 에칭을 이용한다. 또한 플라스마 처리로서, 플라스마 애싱이 바람직하게 사용될 수 있다. 레지스트 등의 제거가 부족한 경우, 예를 들어 0.001volume% 이상 1volume% 이하의 농도의 플루오르화 수소산 및/또는 오존수를 사용하여 레지스트의 잔존 등을 제거하여도 좋다.
<트랜지스터의 제작 방법의 참조예>
트랜지스터의 제작 방법의 참조예에 대하여 도 8의 (A) 및 (B), 도 9의 (A) 및 (B), 및 도 10의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판(600)을 준비한다. 다음에, 절연체(602)를 퇴적한다. 다음에, 반도체(606)가 되는 반도체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고 반도체(606)가 되는 반도체를 마스크르서 레지스트를 사용하여 에칭하여, 섬 형상 반도체(606)를 형성한다. 그 후, 레지스트를 제거한다. 그리고 도전체(616)를 퇴적한다(도 8의 (A) 및 (B) 참조). 도 8의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고 도 8의 (B)는 도 8의 (A)의 일점쇄선 C1-C2 및 일점쇄선 C3-C4를 따르는 단면도이다.
도 8의 (A)에 도시된 바와 같이, 반도체(606)의 모서리부는 원형이다. 즉, 반도체(606)의 두 개의 측면 사이의 부분이 곡면을 갖는다. 예를 들어, 포토리소그래피 공정 등에 의하여, 포토마스크가 각형의 패턴을 갖는 경우에도 광 근접 때문에 레지스트의 모서리부는 원형을 갖는 것이 알려져 있다. 이 효과는, 미세한 형상이 채용되는 경우, 예를 들어, 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하, 또는 구체적으로는, 5nm 이상 100nm 이하의 패턴이 형성되는 경우에 특히 명확해지다.
다음에 레지스트를 형성한다. 그리고, 마스크로서 레지스트를 사용하여 도전체(616)를 에칭하여, 도전체(616a) 및 도전체(616b)를 형성한다. 그 후, 레지스트를 제거한다(도 9의 (A) 및 (B) 참조). 도 9의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고 도 9의 (B)는 도 9의 (A)의 일점쇄선 C1-C2 및 일점쇄선 C3-C4를 따르는 단면도이다.
도 9의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(616a) 및 도전체(616b)의 모서리부 각각은 원형을 갖는다. 즉, 도전체(616a)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다. 또한, 도전체(616b)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
다음에, 절연체(612)를 퇴적한다. 다음에, 도전체(604)가 되는 도전체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트는 도전체(604)가 되는 도전체 위에 형성된다. 그리고 도전체(604)가 되는 도전체는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(604)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다. 그리고 절연체(608)를 퇴적한다. 상기 단계를 통하여, 트랜지스터를 제작할 수 있다(도 10의 (A) 및 (B) 참조). 도 10의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 10의 (B)는 도 10의 (A)의 일점쇄선 C1-C2 및 일점쇄선 C3-C4를 따르는 단면도이다.
도 10의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(604)의 모서리부는 원형을 갖는다. 즉, 도전체(604)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
상술한 바와 같이 제작되는 트랜지스터에서 도전체(604)는 게이트 전극의 기능을 갖는다. 절연체(612)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 도전체(616a) 및 도전체(616b)는 소스 전극 및 드레인 전극의 기능을 갖는다. 반도체(606)는 채널 형성 영역을 포함한다.
또한 트랜지스터는 기판(600)을 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(602)를 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(608)를 포함할 필요는 없다.
도 10의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터에서, 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(616a) 및 도전체(616b)의 모서리부 각각은 곡면을 갖는다. 구체적으로, 도전체(616a) 및 도전체(616b)의 각각은 대향하는 측의 모서리부에서 큰 곡률 반경을 갖는 부분을 갖는다. 따라서, 도전체(616a) 및 도전체(616b)의 모서리부에서의 트랜지스터의 채널 길이는 다른 부분에서의 채널 길이와 다르다. 따라서, 채널 형성 영역에서, 전류가 흐르기 쉬운 영역이 있고 한편 흐르기 어려운 영역이 있다. 바꿔 말하면, 채널 폭은 설계된 것보다는 작고 온 상태 전류는 낮다. 또한 모서리부는 항상 같은 형상을 갖도록 형성되지는 않으며, 이에 의하여 복수의 트랜지스터들 사이의 전기 특성의 변동이 발생된다. 또한 모서리부의 곡률 반경은 예를 들어, 기판의 상면에 평행한 단면의 곡률 반경을 뜻한다.
<트랜지스터의 제작 방법 1>
다음에, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터의 제작 방법에 대하여 도 1의 (A) 및 (B), 도 2의 (A) 및 (B), 및 도 3의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판(400)을 준비한다. 다음에 절연체(402)를 퇴적한다. 다음에 반도체(436)를 퇴적한다. 그리고, 도전체(416)가 되는 도전체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고, 마스크로서 레지스트를 사용하여 도전체(416)가 되는 도전체는 에칭되어, 도전체(416)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다(도 1의 (A) 및 (B) 참조). 도 1의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)의 일점쇄선 A1-A2 및 일점쇄선 A3-A4를 따르는 단면도이다.
도 1의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(416)의 모서리부는 원형이다. 즉, 도전체(416)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고 도전체(416)는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(416a) 및 도전체(416b)가 형성된다. 반도체(436)는 마스크(들)로서 레지스트 및/또는 도전체(416a) 및 도전체(416b)를 사용하여 에칭되어, 섬 형상 반도체(406)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다(도 2의 (A) 및 (B) 참조). 도 2의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 2의 (B)는 도 2의 (A)의 일점쇄선 A1-A2 및 일점쇄선 A3-A4를 따르는 단면도이다.
도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, 반도체(406), 도전체(416a), 및 도전체(416b)의 모서리부 각각은 곡면을 갖는다. 여기서, 또한, 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 각각은 대향하는 측의 모서리부에서 각형을 갖는다. 구체적으로, 도전체(416a) 및 도전체(416b) 각각은 대향하는 측의 모서리부에서의 곡률 반경이 작은 부분을 갖는다. 이것은 도 1의 (A)에 도시된 곡면을 갖는 도전체(416)의 모서리부가 도 2의 (A)에서 제거되기 때문이다.
여기서 도전체(416) 및 반도체(436)는 반도체(436) 위의 도전체(416)의 형성 후에 가공되어 반도체(406), 도전체(416a), 및 도전체(416b)가 형성되지만, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터의 제작 방법은 상기에 한정되지 않는다. 예를 들어, 먼저, 도전체는 반도체(436) 위에 퇴적된다. 그리고, 반도체(436) 및 도전체를 가공함으로써, 반도체(406)와 비슷한 상면 형상을 갖는 도전체 및 반도체(406)를 형성한다. 다음에 도전체를 가공함으로써, 도전체(416a) 및 도전체(416b)를 형성한다. 이 가공을 거쳐, 도 2의 (A) 및 (B)에 도시된 형상도 얻어질 수 있다.
다음에, 절연체(412)를 퇴적한다. 다음에, 도전체(404)가 되는 도전체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트는 도전체(404)가 되는 도전체 위에 형성된다. 그리고 도전체(404)가 되는 도전체는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(404)가 형성된다. 그 후, 레지스트를 제거한다. 그리고 절연체(408)를 퇴적한다. 상기 단계를 통하여, 트랜지스터를 제작할 수 있다(도 3의 (A) 및 (B) 참조). 도 3의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 3의 (B)는 도 3의 (A)의 일점쇄선 A1-A2 및 일점쇄선 A3-A4를 따르는 단면도이다.
도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(404)의 모서리부는 원형이다. 즉, 도전체(404)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
상술한 바와 같이 제작되는 트랜지스터에서, 도전체(404)는 게이트 전극의 기능을 갖는다. 절연체(412)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 도전체(416a) 및 도전체(416b)는 소스 전극 및 드레인 전극의 기능을 갖는다. 반도체(406)는 채널 형성 영역을 포함한다.
또한 트랜지스터는 기판(400)을 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(402)를 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(408)를 포함할 필요는 없다.
도 3의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터에서, 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 모서리부는 각각 각형을 갖는다. 구체적으로, 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 각각은 대향하는 측의 모서리부가 대향하지 않는 측의 모서리부보다 곡률 반경이 작은 부분을 갖는다. 따라서, 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 모서리부에서의 트랜지스터의 채널 길이는 다른 부분에서의 채널 길이와 거의 다르지 않다. 따라서, 채널 형성 영역에서, 전류의 흐르기 쉬움은 영역들 사이에서 다르지 않다. 바꿔 말하면, 채널 폭은 설계된 것보다는 작게 되지 않아, 도 10의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터보다 높은 온 상태 전류를 얻을 수 있다. 또한, 채널 형성 영역은 같은 형상 또는 실질적으로 같은 형상을 갖도록 형성되어, 이에 의하여 복수의 트랜지스터들 사이의 전기 특성의 변동을 억제한다.
<트랜지스터의 제작 방법 2>
다음에, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터의 제작 방법에 대하여 도 4의 (A) 및 (B), 도 5의 (A) 및 (B), 도 6의 (A) 및 (B), 및 도 7의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판(500)을 준비한다. 다음에, 절연체(502)를 퇴적한다. 다음에, 반도체(536)가 되는 반도체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고 반도체(536)가 되는 반도체는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 반도체(536)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다(도 4의 (A) 및 (B) 참조). 도 4의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 4의 (B)는 도 4의 (A)의 일점쇄선 B1-B2 및 일점쇄선 B3-B4를 따르는 단면도이다.
다음에, 도전체(516)가 되는 도전체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고 도전체(516)가 되는 도전체는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(516)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다(도 5의 (A) 및 (B) 참조). 도 5의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A)의 일점쇄선 B1-B2 및 일점쇄선 B3-B4를 따르는 단면도이다.
도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(516)의 모서리부는 원형이다. 즉, 도전체(516)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
다음에, 레지스트를 형성한다. 그리고 도전체(516)는 마스크르서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(516a) 및 도전체(516b)가 형성된다. 반도체(536)는 마스크(들)로서 레지스트 및/또는 도전체(516a) 및 도전체(516b)를 사용하여 에칭되어, 섬 형상 반도체(506)가 형성된다. 그 후, 레지스트를 제거한다(도 6의 (A) 및 (B) 참조). 도 6의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 6의 (B)는 도 6의 (A)의 일점쇄선 B1-B2 및 일점쇄선 B3-B4를 따르는 단면도이다.
도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 반도체(506), 도전체(516a), 및 도전체(516b)의 모서리부 각각은 각형을 갖는다. 구체적으로, 반도체(506), 도전체(516a), 및 도전체(516b)의 각각은 모서리에서 작은 곡률 반경을 갖는 부분을 갖는다. 이것은 도 5의 (A)에 도시된 곡면을 갖는 도전체(516)의 모서리부가 도 6의 (A)에서 제거되기 때문이다.
다음에, 절연체(512)를 퇴적한다. 다음에, 도전체(504)가 되는 도전체를 퇴적한다. 다음에, 레지스트는 도전체(504)가 되는 도전체 위에 형성된다. 그리고 도전체(504)가 되는 도전체는 마스크로서 레지스트를 사용하여 에칭되어, 도전체(504)가 형성된다. 그 후, 레지스트가 제거된다. 그리고, 절연체(508)를 퇴적한다. 상기 단계를 통하여, 트랜지스터를 제작할 수 있다(도 7의 (A) 및 (B) 참조). 도 7의 (A)는 트랜지스터의 제작 방법을 도시한 상면도이고, 도 7의 (B)는 도 7의 (A)의 일점쇄선 B1-B2 및 일점쇄선 B3-B4를 따르는 단면도이다.
도 7의 (A)에 도시된 바와 같이, 도전체(504)의 모서리부는 원형을 갖는다. 즉, 도전체(504)의 두 개의 측면 사이의 부분은 곡면을 갖는다.
상술한 바와 같이 제작되는 트랜지스터에서, 도전체(504)는 게이트 전극의 기능을 갖는다. 절연체(512)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 도전체(516a) 및 도전체(516b)는 소스 전극 및 드레인 전극의 기능을 갖는다. 반도체(506)는 채널 형성 영역을 포함한다.
또한 트랜지스터는 기판(500)을 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(502)를 포함할 필요는 없다. 트랜지스터는 절연체(508)를 포함할 필요는 없다.
도 7의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터에서, 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(516a) 및 도전체(516b)의 모서리부는 각각 각형을 갖는다. 구체적으로, 도전체(516a) 및 도전체(516b)의 각각은 모서리부에서 곡률 반경이 작은 부분을 갖고, 예를 들어, 도전체(504)의 모서리부의 곡률 반경보다 작다. 따라서, 도전체(516a) 및 도전체(516b)의 모서리부에서의 트랜지스터의 채널 길이는 다른 부분에서의 채널 길이와 거의 다르지 않다. 따라서, 채널 형성 영역에서, 전류의 흐르기 쉬움은 영역들 사이에서 다르지 않다. 바꿔 말하면, 채널 폭은 설계된 것보다는 작게 되지 않아, 도 10의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터보다 높은 온 상태 전류를 얻을 수 있다. 또한, 모서리부는 같은 형상 또는 실질적으로 같은 형상을 갖도록 형성되어, 이에 의하여 복수의 트랜지스터들 사이의 전기 특성의 변동을 억제한다.
<트랜지스터의 변형예>
또한 도 3의 (A) 및 (B)와 도 7의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는 톱 게이트 구조를 갖지만, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터는 이 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 보텀 게이트 구조의 트랜지스터도 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터이다.
도 11의 (A)는 트랜지스터를 도시한 상면도이고, 도 11의 (B)는 도 11의 (A)의 일점쇄선 D1-D2 및 일점쇄선 D3-D4를 따르는 단면도이다.
도 11의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는 게이트 전극의 기능을 갖는 도전체의 레이아웃에서 도 3의 (A) 및 (B)에 도시된 것과 다르다. 구체적으로, 게이트 전극의 기능을 갖는 도전체(410)는 기판(400) 위에 제공된다. 절연체(402)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 또한, 도전체(410)는 절연체(401)에 매립되지만, 본 발명은 이 형상에 한정되지 않는다.
또한 도 12의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이 톱 게이트 및 보텀 게이의 양쪽을 포함하는 트랜지스터도 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터이다.
도 12의 (A)는 트랜지스터를 도시한 상면도이고, 도 12의 (B)는 도 12의 (A)의 일점쇄선 E1-E2 및 일점쇄선 E3-E4를 따르는 단면도이다.
도 12의 (A) 및 (B)에 도시된 트랜지스터는 게이트 전극의 기능을 갖는 도전체의 레이아웃에서 도 7의 (A) 및 (B)에 도시된 것과 다르다. 구체적으로, 게이트 전극의 기능을 갖는 도전체(510)도 기판(500) 위에 제공된다. 절연체(502)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 또한, 도전체(510)는 절연체(501)에 매립되지만, 본 발명은 이 형상에 한정되지 않는다.
또한, 도 11의 (A) 및 (B) 및 도 12의 (A) 및 (B)는 몇 가지 예에 불과하다. 따라서, 이들 외에도, 어느 구성 요소의 레이아웃을 본 명세서에서 참조된 어느 도면에서 변형할 수 있다.
<트랜지스터의 구성 요소>
이하에서는, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터의 구성 요소에 대하여 설명한다.
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(예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아 기판), 또는 수지 기판이 사용된다. 반도체 기판으로서는, 예를 들어, 실리콘, 저마늄 등의 단체 반도체 기판, 또는 탄소화 실리콘, 실리콘 저마늄, 비소화 갈륨, 인화 인듐, 산화 아연, 산화 갈륨 등의 화합물 반도체 기판이 사용된다. 상술한 반도체 기판에 절연체 영역이 제공되는 반도체 기판, 예를 들어 SOI(silicon on insulator) 기판 등이 사용된다. 도전체 기판으로서는, 흑연 기판, 금속 기판, 합금 기판, 도전성 수지 기판 등이 사용된다. 금속의 질화물을 포함하는 기판, 금속의 산화물을 포함하는 기판 등이 사용된다. 도전체 또는 반도체가 제공된 절연체 기판, 도전체 또는 절연체가 제공된 반도체 기판, 반도체 또는 절연체가 제공된 도전체 기판 등이 사용된다. 또는, 소자가 제공된 이들 기판 중 어느 것을 사용하여도 좋다. 기판 위에 제공되는 소자로서는, 커패시터, 레지스터, 스위칭 소자, 발광 소자, 기억 소자 등이 사용된다.
또는, 기판(400)으로서 가요성 기판을 사용하여도 좋다. 가요성 기판 위에 트랜지스터를 제공하는 방법으로서는, 비가요성 기판 위에 트랜지스터를 형성한 후, 트랜지스터를 박리하여, 가요성 기판인 기판(400)에 옮기는 방법이 있다. 이 경우, 비가요성 기판과 트랜지스터 사이에 박리층을 제공하는 것이 바람직하다. 기판(400)으로서, 섬유를 포함하는 시트, 필름, 또는 박을 사용하여도 좋다. 기판(400)은 탄력성을 가져도 좋다. 기판(400)은 구부리거나 잡아당기는 것을 멈출 때에, 원래의 형상으로 되돌아오는 성질을 가져도 좋다. 또는, 기판(400)은 원래의 형상으로 되돌아오지 않는 성질을 가져도 좋다. 기판(400)의 두께는, 예를 들어, 5μm 이상 700μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 500μm 이하, 더 바람직하게는 15μm 이상 300μm 이하이다. 기판(400)이 작은 두께를 갖는 경우, 반도체 장치를 경량화할 수 있다. 기판(400)이 작은 두께를 가지면, 유리 등을 사용한 경우에도, 기판(400)은 탄력성, 또는 구부리기나 잡아당기는 것을 멈출 때에 원래의 형상으로 되돌아오는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 낙하 등에 의하여 일어나는 기판(400) 위의 반도체 장치에 가해지는 충격을 저감시킬 수 있다. 즉, 내구성이 있는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
가요성 기판인 기판(400)에는, 예를 들어, 금속, 합금, 수지, 유리, 또는 이들의 섬유를 사용할 수 있다. 환경으로 인한 변형이 억제되기 때문에 가요성 기판(400)은 선 팽창계수가 낮은 것이 바람직하다. 가요성 기판(400)은, 예를 들어, 선 팽창계수가 1×10-3/K 이하, 5×10-5/K 이하, 또는 1×10-5/K 이하인 재료를 사용하여 형성된다. 수지의 예로서는, 폴리에스터, 폴리올레핀, 폴리아마이드(예를 들어 나일론 또는 아라미드), 폴리이미드, 폴리카보네이트, 및 아크릴을 포함한다. 특히, 아라미드는 선 팽창계수가 낮기 때문에, 가요성 기판(400)에 사용되는 것이 바람직하다.
기판(500) 및 기판(600)에는, 기판(400)의 설명이 원용된다.
절연체(401)는, 예를 들어, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성되면 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 사용하여 형성되면 좋다.
절연체(401)는 기판(400) 등으로부터의 불순물의 확산을 방지하는 기능을 가져도 좋다. 반도체(406)가 산화물 반도체인 경우, 절연체(401)는 반도체(406)에 산소를 공급하는 기능을 가질 수 있다.
절연체(501)에는, 절연체(401)의 설명이 원용된다.
도전체(410)는, 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 텅스텐을 1종 이상 포함하는 도전체를 사용하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상술한 원소를 포함하는 합금 또는 화합물이 사용되어도 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.
도전체(510)에는 도전체(410)의 설명이 원용된다.
절연체(402)는, 예를 들어, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 절연체(402)는 예를 들어 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 사용하여 형성되어도 좋다.
절연체(402)는 기판(400) 등으로부터의 불순물의 확산을 방지하는 기능을 가져도 좋다. 반도체(406)가 산화물 반도체인 경우, 절연체(402)는 반도체(406)에 산소를 공급하는 기능을 가질 수 있다.
절연체(402)는 과잉 산소를 포함하는 절연체인 것이 바람직하다.
예를 들어, 과잉 산소를 포함하는 절연체란, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 절연체를 뜻한다. 예를 들어, 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘은, 가열 처리 등에 의하여 산소를 방출할 수 있는 산화 실리콘을 뜻한다. 따라서, 절연체(402)는 산소가 이동할 수 있는 절연체이다. 바꿔 말하면, 절연체(402)는 산소 투과성을 갖는 절연체가 될 수 있다. 예를 들어, 절연체(402)는 반도체(406)보다 산소 투과성이 더 높은 절연체가 될 수 있다.
과잉 산소를 포함하는 절연체는 반도체(406) 내에서의 산소 빈자리를 저감시키는 기능을 갖는 경우가 있다. 이런 산소 빈자리는 반도체(406) 중에서 DOS를 형성하고, 정공 트랩 등으로서 기능한다. 또한, 수소는 이런 산소 빈자리의 사이트에 들어가고 캐리어로서 기능하는 전자를 형성한다. 따라서, 반도체(406) 중의 산소 빈자리를 저감시킴으로써, 트랜지스터는 안정적인 전기 특성을 가질 수 있다.
여기서, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 절연체는 TDS 분석에서 100℃~700℃ 또는 100℃~500℃의 표면 온도의 범위에서 1×1018atoms/cm3 이상, 1×1019atoms/cm3 이상, 또는 1×1020atoms/cm3 이상의 양의 산소(산소 원자수 환산)를 방출할 수 있다.
여기서, TDS 분석을 이용한 산소의 방출량의 측정 방법에 대하여 이하에서 설명한다.
TDS 분석에서의 측정 시료로부터의 방출 가스의 총량은, 방출 가스의 이온 강도의 적분값에 비례한다. 그리고, 표준 시료와 비교함으로써, 방출 가스의 총량을 계산할 수 있다.
예를 들어, 표준 시료인, 소정의 밀도로 수소를 포함하는 실리콘 기판의 TDS 결과, 및 측정 시료의 TDS 결과를 이용하여, 측정 시료로부터의 산소 분자의 방출량(NO2)은 이하의 식에 따라 계산할 수 있다. 여기서, TDS 분석에서 얻어진 질량 전하 비율이 32인 모든 가스는 산소 분자에서 유래한다고 상정된다. 또한, 질량 전하 비율이 32인 가스 CH3OH는 존재할 가능성이 낮기 때문에 고려되지 않는다. 또한, 산소 원자의 동위 원소인 17 또는 18의 질량수를 갖는 산소 원자를 포함하는 산소 분자에 대해서도, 자연계에서의 그러한 분자의 비율이 최소이기 때문에 고려되지 않는다.
NO2=NH2/SH2×SO2×α
값 NH2는 표준 시료로부터 이탈된 수소 분자의 수를 밀도로 환산하여 얻는다. 값 SH2는 표준 시료를 TDS 분석할 때의 이온 강도의 적분값이다. 여기서, 표준 시료의 기준값은 NH2/SH2로 설정된다. 값 SO2는 측정 시료를 TDS 분석할 때의 이온 강도의 적분값이다. 값 α는 TDS 분석에서의 이온 강도에 영향을 미치는 계수이다. 상기 식의 자세한 사항은 일본국 특개 제H6-275697호를 참조한다. 산소의 방출량은, 예를 들어, 표준 시료로서 1×1016atoms/cm2의 수소 원자를 포함하는 실리콘 기판을 사용한 ESCO Ltd.제의 TDS(thermal desorption spectroscopy) 장치 EMD-WA1000S/W로 측정된다.
또한, TDS 분석에서, 산소의 일부는 산소 원자로서 검출된다. 산소 분자와 산소 원자 간의 비율은 산소 분자의 이온화율로부터 계산할 수 있다. 또한, 상술한 α는 산소 분자의 이온화율을 포함하기 때문에, 산소 분자의 방출량을 평가하는 것을 통하여 산소 원자의 방출량을 추정할 수도 있다.
또한, NO2는 산소 분자의 방출량이다. 산소 원자로 환산한 경우의 산소의 방출량은 산소 분자의 방출량의 2배이다.
또한, 가열 처리에 의하여 산소를 방출하는 절연체는, 과산화 라디칼을 포함할 수도 있다. 구체적으로, 과산화 라디칼에 기인하는 스핀 밀도는 5×1017spins/cm3 이상이다. 또한, 과산화 라디칼을 포함하는 절연체는 전자 스핀 공명에서 g인자가 약 2.01인 비대칭 신호를 가질 수 있다.
과잉 산소를 포함하는 절연체는 산소 과잉 산화 실리콘(SiOX(X>2))을 사용하여 형성되어도 좋다. 산소 과잉 산화 실리콘(SiOX(X>2))에서, 단위 체적당 산소 원자수는 단위 체적당 실리콘 원자수의 2배보다 많다. 단위 체적당 실리콘 원자수 및 산소 원자수는 RBS(Rutherford backscattering spectrometry)에 의하여 측정된다.
절연체(502) 및 절연체(602)에는, 절연체(402)의 설명을 원용한다.
도전체(416a) 및 도전체(416b)의 각각은 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 텅스텐을 1종 이상 포함하는 도전체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상술한 원소를 포함하는 합금 또는 화합물이 사용되어도 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.
도전체(516a), 도전체(516b), 도전체(616a), 및 도전체(616b)에는, 도전체(416a) 및 도전체(416b)의 설명을 원용한다.
절연체(412)는, 예를 들어, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어 절연체(412)는, 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 사용하여 형성되면 좋다.
절연체(512) 및 절연체(612)에는, 절연체(412)의 설명을 원용한다.
도전체(404)는, 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 텅스텐을 1종 이상 포함하는 도전체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상술한 원소를 포함하는 합금 또는 화합물이 사용되어도 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.
도전체(504) 및 도전체(604)에는, 도전체(404)의 설명을 원용한다.
절연체(408)는, 예를 들어, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어 절연체(408)는, 산화 알루미늄, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 갈륨, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 산화 하프늄, 또는 산화 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성되면 바람직하다.
절연체(508) 및 절연체(608)에는, 절연체(408)의 설명을 원용한다.
반도체(406)로서는 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 실리콘(변형 실리콘을 포함함), 저마늄, 실리콘 저마늄, 탄소화 실리콘, 갈륨 비소, 알루미늄 갈륨 비소, 인화 인듐, 질화 갈륨, 또는 유기 반도체 등을 사용할 수 있는 경우가 있다.
<산화물 반도체의 구조>
산화물 반도체의 구조에 대하여 이하에서 설명한다.
산화물 반도체는 단결정 산화물 반도체와 비단결정 산화물 반도체로 분류된다. 비단결정 산화물 반도체의 예에는 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), 다결정 산화물 반도체, nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor), a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor), 및 비정질 산화물 반도체가 포함된다.
다른 관점으로부터, 산화물 반도체는 비정질 산화물 반도체와 결정성 산화물 반도체로 분류된다. 또한, 결정성 산화물 반도체의 예에는 단결정 산화물 반도체, CAAC-OS, 다결정 산화물 반도체, 및 nc-OS가 포함된다.
비정질 구조는 일반적으로, 준안정이며 고정되어 있지 않고, 등방성이고 불균일 구조를 갖지 않는다고 정의되는 것으로 알려져 있다. 바꿔 말하면, 비정질 구조는 플렉시블한 결합 각도 및 단거리 질서를 갖지만 장거리 질서를 갖지 않는다.
이것은, 본질적으로 안정된 산화물 반도체는 완전한 비정질 산화물 반도체라고 할 수 없다는 것을 의미한다. 또한, 등방성이 아닌 산화물 반도체(예컨대 미소한 영역에서의 주기 구조를 갖는 산화물 반도체)를 완전한 비정질 산화물 반도체라고 할 수 없다. 또한 a-like OS는 미소한 영역에서 주기 구조를 갖지만, 동시에 보이드를 갖고 불안정한 구조를 갖는다. 이 때문에, a-like OS는 비정질 산화물 반도체와 비슷한 물리성을 갖는다.
<CAAC-OS>
먼저, CAAC-OS를 설명한다.
CAAC-OS는 복수의 c축 배향된 결정부(펠릿이라고도 함)를 갖는 산화물 반도체 중 하나이다.
TEM(transmission electron microscope)을 사용하여 얻어지는, CAAC-OS의 명시야상 및 회절 패턴의 복합 분석 이미지(고분해능 TEM 이미지라고도 함)에서, 복수의 펠릿이 관찰될 수 있다. 하지만, 고분해능 TEM 이미지에서, 펠릿들 사이의 경계, 즉 그레인 바운더리는 명확하게 관찰되지 않는다. 따라서, CAAC-OS에서, 그레인 바운더리로 인한 전자 이동도에서의 감소는 일어나기 어렵다.
TEM에 의하여 관찰된 CAAC-OS에 대하여 이하에서 설명한다. 도 32의 (A)는 시료 표면에 실질적으로 평행한 방향으로부터 관찰되는 CAAC-OS의 단면의 고분해능 TEM 이미지를 나타낸 것이다. 고분해능 TEM 이미지는 구면 수차 보정(spherical aberration corrector) 기능에 의하여 얻어진다. 구면 수차 보정 기능에 의하여 얻어진 고분해능 TEM 이미지는 특히 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지라고 한다. Cs 보정 고분해능 TEM 이미지는 예컨대 JEOL Ltd.제의 원자 분해능 분석 전자 현미경 JEM-ARM200F에 의하여 얻어질 수 있다.
도 32의 (B)는 도 32의 (A)에서의 영역 (1)의 확대된 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지이다. 도 32의 (B)는 펠릿에서, 금속 원자가 층상으로 배치된 것을 나타낸 것이다. 금속 원자의 각 층은, CAAC-OS막이 형성되는 면(이하, 이 면을 형성면이라고 함) 또는 CAAC-OS의 상면의 요철을 반영한 구성을 갖고, CAAC-OS의 형성면 또는 상면에 평행하게 배치된다.
도 32의 (B)에 나타낸 바와 같이, CAAC-OS는 특징적인 원자 배열을 갖는다. 특징적인 원자 배열은 도 32의 (C)에서의 보조선에 의하여 나타내어진다. 도 32의 (B) 및 (C)는 펠릿의 사이즈가 1nm 이상, 또는 3nm 이상, 및 펠릿들의 기울기로 인한 공간의 사이즈가 0.8nm 정도인 것을 입증한다. 그러므로 펠릿은 나노결정(nc)이라고도 할 수 있다. 또한 CAAC-OS는 CANC(c-axis aligned nanocrystals)를 포함하는 산화물 반도체라고 할 수 있다.
여기서, Cs 보정 고분해능 TEM 이미지에 따라, 기판(5120) 위의 CAAC-OS의 펠릿(5100)의 모식적인 배열은 벽돌 또는 블록이 적층된 구조에 의하여 도시되었다(도 32의 (D) 참조). 도 32의 (C)에 관찰된 바와 같이 펠릿들이 기운 부분은 도 32의 (D)에 나타낸 영역(5161)에 상당한다.
도 33의 (A)는 시료 표면에 실질적으로 수직인 방향으로부터 관찰된 CAAC-OS의 평면의 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 33의 (B), (C), 및 (D)는 각각 도 33의 (A)에서의 영역 (1), 영역 (2), 및 영역 (3)의 확대된 Cs 보정 고분해능 TEM 이미지이다. 도 33의 (B), (C), 및 (D)는, 금속 원자들이 펠릿에서 삼각형, 사각형, 또는 육각형으로 배치되어 있는 것을 가리키는 것이다. 하지만, 상이한 펠릿들 사이에서 금속 원자의 배열에 규칙성은 없다.
다음에, X선 회절(XRD)에 의하여 분석된 CAAC-OS를 설명한다. 예를 들어, out-of-plane법에 의하여 InGaZnO4 결정을 포함하는 CAAC-OS의 구조를 분석하면, 도 34의 (A)에 나타낸 바와 같이 31° 부근의 회절각(2θ)에서 피크가 나타난다. 이 피크는 InGaZnO4 결정의 (009)면에서 유래한 것으로, CAAC-OS의 결정이 c축 배향을 갖고 c축이 CAAC-OS의 형성면 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되어 있는 것을 가리킨다.
또한, out-of-plane법에 의한 CAAC-OS의 구조 분석에서, 31° 부근의 2θ의 피크에 더하여, 2θ가 36° 부근일 때에 다른 피크가 나타날 수 있다. 36° 부근의 2θ의 피크는 CAAC-OS의 일부에 c축 배향을 갖지 않는 결정이 포함되는 것을 가리킨다. out-of-plane법에 의하여 분석한 CAAC-OS에서는, 2θ가 31° 부근일 때 피크가 나타나고 2θ가 36° 부근일 때 피크가 나타나지 않는 것이 바람직하다.
한편, c축에 실질적으로 수직인 방향에서 시료에 대하여 X선이 입사되는 in-plane법에 의한 CAAC-OS의 구조 분석에서, 2θ가 56° 부근일 때 피크가 나타난다. 이 피크는 InGaZnO4 결정의 (110)면에서 유래한다. CAAC-OS의 경우, 2θ를 56° 부근에 고정하고 시료 표면의 법선 벡터를 축(φ축)으로서 사용하여 시료를 회전시켜 분석(φ스캔)을 수행하면, 도 34의 (B)에 나타낸 바와 같이, 피크가 명확하게 관찰되지 않는다. 한편, InGaZnO4의 단결정 산화물 반도체의 경우, 2θ를 56° 부근에 고정하여 φ스캔을 수행하면, 도 34의 (C)에 나타낸 바와 같이, (110)면과 등가인 결정면에서 유래하는 6개의 피크가 관찰된다. 따라서, XRD를 사용한 구조 분석은, CAAC-OS에서 a축 및 b축의 방향이 불규칙하게 배향되는 것을 나타낸다.
다음에, 전자 회절에 의하여 분석된 CAAC-OS를 설명한다. 예를 들어, 프로브 직경이 300nm인 전자빔이 시료 표면에 평행한 방향에서 InGaZnO4 결정을 포함하는 CAAC-OS에 입사되면, 도 35의 (A)에 나타낸 회절 패턴(제한 시야 투과 전자 회절 패턴이라고도 함)이 얻어질 수 있다. 이 회절 패턴에는 InGaZnO4 결정의 (009)면에서 유래하는 스폿이 포함된다. 따라서, 전자 회절은, CAAC-OS에 포함되는 펠릿이 c축 배향을 갖고 c축이 CAAC-OS의 형성면 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되는 것도 가리킨다. 한편, 도 35의 (B)는, 프로브 직경이 300nm인 전자빔을 시료 표면에 수직인 방향에서 같은 시료에 대하여 입사함으로써 얻어지는 회절 패턴을 나타낸 것이다. 도 35의 (B)에 나타낸 바와 같이, 고리형의 회절 패턴이 관찰된다. 따라서, 전자 회절은, CAAC-OS에 포함되는 펠릿의 a축 및 b축이 규칙적인 배향을 갖지 않는 것도 가리킨다. 도 35의 (B)에서의 제 1 고리는 InGaZnO4 결정의 (010)면, (100)면 등에서 유래하는 것으로 생각된다. 또한, 도 35의 (B)에서의 제 2 고리는 (110)면 등에서 유래하는 것으로 생각된다.
상술한 바와 같이, CAAC-OS는 높은 결정성을 갖는 산화물 반도체이다. 불순물의 진입, 결함의 형성 등은 산화물 반도체의 결정성을 저하시킬 수 있다. 이것은 CAAC-OS가 불순물 및 결함(예컨대 산소 빈자리)의 양이 적은 것을 의미한다.
또한, 불순물이란, 수소, 탄소, 실리콘, 또는 전이 금속 원소 등의, 산화물 반도체의 주성분 외의 원소를 의미한다. 예를 들어, 산화물 반도체에 포함되는 금속 원소보다 산소와의 결합력이 높은 원소(구체적으로, 실리콘 등)는 산화물 반도체로부터 산소를 추출하고, 이 결과 원자 배열에 무질서성이 생기고 산화물 반도체의 결정성이 저하된다. 철 또는 니켈 등의 중금속, 아르곤, 이산화탄소 등은 원자 반경(또는 분자 반경)이 크기 때문에, 산화물 반도체의 원자 배열을 방해하고 결정성을 저하시킨다.
불순물 또는 결함을 갖는 산화물 반도체의 특성은 광, 열 등에 의하여 변화될 수 있다. 산화물 반도체에 포함되는 불순물은, 예컨대 캐리어 트랩 또는 캐리어 발생원으로서 기능할 수 있다. 또한, 산화물 반도체에서의 산소 빈자리는 캐리어 트랩으로서 기능하거나 또는 수소가 포획되면 캐리어 발생원으로서 기능한다.
불순물 및 산소 빈자리의 양이 적은 CAAC-OS는 캐리어 밀도가 낮은(구체적으로, 8×1011/cm3 미만, 바람직하게는 1×1011/cm3 미만, 더 바람직하게는 1×1010/cm3 미만, 및 1×10-9/cm3 이상) 산화물 반도체이다. 이런 산화물 반도체는 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성의 산화물 반도체라고 한다. CAAC-OS는 불순물 농도가 낮고 결함 상태의 밀도가 낮다. 따라서, CAAC-OS는 안정된 특성을 갖는 산화물 반도체라고 할 수 있다.
<nc-OS>
다음에, nc-OS를 설명한다.
nc-OS는 고분해능 TEM 이미지에서 결정부가 관찰되는 영역, 및 결정부가 명확히 관찰되지 않는 영역을 갖는다. 대부분의 경우, nc-OS에 포함되는 결정부의 사이즈는 1nm 이상 10nm 이하, 또는 1nm 이상 3nm 이하이다. 또한, 10nm보다 크고 100nm 이하의 사이즈의 결정부를 포함하는 산화물 반도체를 미결정 산화물 반도체라고 하는 경우가 있다. nc-OS의 고분해능 TEM 이미지에서, 예컨대 그레인 바운더리가 명확히 관찰되지 않는 경우가 있다. 또한, 나노결정의 기원은 CAAC-OS에서의 펠릿과 동일한 가능성이 있다. 따라서, 이하의 설명에서는 nc-OS의 결정부를 펠릿이라고 할 수 있다.
nc-OS에서, 미소한 영역(예컨대 1nm 이상 10nm 이하의 사이즈를 갖는 영역, 특히 1nm 이상 3nm 이하의 사이즈를 갖는 영역)은 주기적인 원자 배열을 갖는다. nc-OS에서 상이한 펠릿들 사이에 결정 배향의 규칙성은 없다. 따라서, 막 전체의 배향이 관찰되지 않는다. 따라서, 분석 방법에 따라, nc-OS를 a-like OS 및 비정질 산화물 반도체와 구별할 수 없다. 예를 들어, 펠릿의 사이즈보다 큰 직경을 갖는 X선 빔을 사용하여 out-of-plane법에 의하여 nc-OS가 분석되면, 결정면을 나타내는 피크가 나타나지 않는다. 또한, 펠릿의 사이즈보다 큰 프로브 직경(예컨대, 50nm 이상)을 갖는 전자빔을 사용하여 nc-OS에 대하여 전자 회절을 수행하면, 헤일로(halo) 패턴과 같은 회절 패턴이 관찰된다. 한편, 프로브 직경을 갖는 전자빔이 펠릿의 사이즈와 가깝거나 또는 펠릿의 사이즈보다 작은 경우, nc-OS의 나노빔 전자 회절 패턴에 스폿이 나타난다. 또한, nc-OS의 나노빔 전자 회절 패턴에서, 휘도가 높은 원(고리)형 패턴을 갖는 영역이 나타나는 경우가 있다. nc-OS의 나노빔 전자 회절 패턴에서도 고리형 영역에 복수의 스폿이 나타나는 경우가 있다.
상술한 바와 같이, 펠릿들(나노결정들) 사이에 결정 배향의 규칙성이 없기 때문에, nc-OS를 RANC(random aligned nanocrystals)를 포함하는 산화물 반도체 또는 NANC(non-aligned nanocrystals)를 포함하는 산화물 반도체라고 할 수도 있다.
nc-OS는 비정질 산화물 반도체에 비하여 규칙성이 높은 산화물 반도체이다. 따라서, nc-OS는 a-like OS 및 비정질 산화물 반도체보다 결함 상태의 밀도가 낮은 경향이 있다. 또한, nc-OS에서 상이한 펠릿들 사이에 결정 배향의 규칙성은 없다. 따라서, nc-OS는 CAAC-OS보다 결함 상태의 밀도가 높다.
<a-like OS>
a-like OS는 nc-OS와 비정질 산화물 반도체 사이의 구조를 갖는다.
a-like OS의 고분해능 TEM 이미지에서는 보이드(void)가 관찰될 수 있다. 또한, 고분해능 TEM 이미지에서, 결정부가 명확히 관찰되는 영역 및 결정부가 관찰되지 않는 영역이 있다.
a-like OS는 보이드를 포함하기 때문에 불안정한 구조를 갖는다. a-like OS가 CAAC-OS 및 nc-OS에 비하여 불안정한 구조를 갖는다는 것을 증명하기 위하여, 전자 조사에 기인하는 구조의 변화를 이하에서 설명한다.
전자 조사를 수행할 시료로서 a-like OS(시료 A), nc-OS(시료 B), 및 CAAC-OS(시료 C)를 준비한다. 각 시료는 In-Ga-Zn 산화물이다.
먼저, 각 시료의 고분해능 단면 TEM 이미지를 얻는다. 고분해능 단면 TEM 이미지는, 모든 시료가 결정부를 갖는 것을 나타낸다.
또한, 어느 부분을 결정부로 간주하는지를 이하에서 설명한다. InGaZnO4 결정의 단위 격자는, 3개의 In-O층과 6개의 Ga-Zn-O층을 포함하는 9층이 c축 방향으로 적층된 구조를 갖는 것이 알려져 있다. 인접한 층들 사이의 거리는 (009)면의 격자 간격(d값이라고도 함)과 동등하다. 이 값은 결정 구조 분석으로부터 0.29nm로 계산된다. 따라서, 격자 줄무늬(lattice fringe)들 사이의 격자 간격이 0.28nm 이상 0.30nm 이하인 부분을 InGaZnO4의 결정부라고 간주한다. 각 격자 줄무늬는 InGaZnO4 결정의 a-b면에 상당한다.
도 36은 각 시료의 결정부(22지점~45지점)의 평균 사이즈의 변화를 나타낸 것이다. 또한, 결정부 사이즈는 격자 줄무늬의 길이에 상당한다. 도 36은, a-like OS에서의 결정부 사이즈가 누적 전자 투여량의 증가에 따라 증대되는 것을 가리킨 것이다. 구체적으로는 도 36에서 (1)로 나타낸 바와 같이, TEM 관찰의 시작에서의 1.2nm 정도의 결정부(이 결정부를 초기 핵이라고도 함)는, 누적 전자 투여량이 4.2×108e-/nm2에서 2.6nm 정도의 사이즈로 성장한다. 한편, nc-OS 및 CAAC-OS의 결정부 사이즈는 전자 조사의 시작으로부터 누적 전자 투여량이 4.2×108e-/nm2까지의 변화가 거의 없는 것을 나타낸다. 구체적으로는, 도 36에서 (2) 및 (3)으로 나타낸 바와 같이, 누적 전자 투여량에 상관없이 nc-OS 및 CAAC-OS의 평균 결정 사이즈는 각각 1.4nm 정도 및 2.1nm 정도이다.
이와 같이, a-like OS에서의 결정부의 성장은 전자 조사에 의하여 유발된다. 한편, nc-OS 및 CAAC-OS에서, 결정부의 성장은 전자 조사에 의하여 거의 유발되지 않는다. 그러므로, a-like OS는 nc-OS 및 CAAC-OS에 비하여 불안정한 구조를 갖는다.
a-like OS는 보이드를 포함하기 때문에 nc-OS 및 CAAC-OS보다 밀도가 낮다. 구체적으로, a-like OS의 밀도는 동일한 조성을 갖는 단결정 산화물 반도체의 밀도의 78.6% 이상 92.3% 미만이다. nc-OS 및 CAAC-OS 각각의 밀도는 동일한 조성을 갖는 단결정 산화물 반도체의 밀도의 92.3% 이상 100% 미만이다. 또한, 단결정 산화물 반도체의 밀도의 78% 미만의 밀도를 갖는 산화물 반도체는 퇴적 자체가 어렵다.
예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1의 원자 비율을 갖는 산화물 반도체의 경우, 능면체정 구조를 갖는 단결정 InGaZnO4의 밀도는 6.357g/cm3이다. 따라서, In:Ga:Zn=1:1:1의 원자 비율을 갖는 산화물 반도체의 경우, a-like OS의 밀도는 5.0g/cm3 이상 5.9g/cm3 미만이다. 예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1의 원자 비율을 갖는 산화물 반도체의 경우, nc-OS 및 CAAC-OS 각각의 밀도는 5.9g/cm3 이상 6.3g/cm3 미만이다.
또한, 단결정 구조에 특정의 조성을 갖는 산화물 반도체가 존재할 수 없을 가능성이 있다. 이 경우, 조성이 상이한 단결정 산화물 반도체들을 적절한 비율로 조합함으로써, 원하는 조성을 갖는 단결정 산화물 반도체의 밀도와 동등한 밀도를 계산할 수 있다. 원하는 조성을 갖는 단결정 산화물 반도체의 밀도는, 조성이 상이한 단결정 산화물 반도체들의 조합비에 따라 가중 평균을 사용하여 계산할 수 있다. 또한, 밀도를 계산하기 위해서는 가능한 한 적은 종류의 단결정 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 산화물 반도체는 다양한 구조와 다양한 특성을 갖는다. 또한, 산화물 반도체는 예컨대, 비정질 산화물 반도체, a-like OS, nc-OS, 및 CAAC-OS 중 2개 이상을 포함하는 적층이어도 좋다.
<산화물 반도체의 조성>
산화물 반도체의 조성에 대하여 이하에서 설명한다. 조성의 설명에는, In-M-Zn 산화물의 경우를 예로서 설명한다. 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 또는 주석 등이다. 원소 M에 사용할 수 있는 다른 원소는 붕소, 실리콘, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐 등이다. 또한, [In]은 In의 원자 농도를 의미하고, [M]은 원소 M의 원자 농도를 의미하고, [Zn]은 Zn의 원자 농도를 의미한다.
In-M-Zn 산화물의 결정은 호모러거스 구조(homologous structure)를 갖는 것이 알려져 있고, InMO3(ZnO) m (m은 자연수)으로 표시된다. 또한, In과 M을 교환하는 것이 가능하기 때문에, In1 + αM1 - αO3(ZnO) m 으로 나타낼 수도 있다. 이 조성은 다음 중 어느 것에 의하여 나타내어진다: [In]:[M]:[Zn]=1+α:1-α:1, [In]:[M]:[Zn]=1+α:1-α:2, [In]:[M]:[Zn]=1+α:1-α:3, [In]:[M]:[Zn]=1+α:1-α:4, 및 [In]:[M]:[Zn]=1+α:1-α:5. 또한, 그 값은, 예를 들어, 원료가 되는 산화물을 혼합하여, 1350℃로 소성한 경우에 고용체가 될 수 있는 조성을 나타낸다.
따라서, 고용체가 될 수 있는 상술한 조성에 가까운 조성을 산화물이 갖는 경우, 높은 결정성을 갖는 CAAC-OS를 얻을 수 있다.
CAAC-OS를 퇴적할 때는, 기판 표면(CAAC-OS가 퇴적되는 표면)의 가열, 또는 공간 가열 등 때문에, 막의 조성은 소스가 되는 타깃 등과 상이한 경우가 있다. 예를 들어, 산화 아연은 산화 인듐, 산화 갈륨 등보다 승화되기 더 쉽기 때문에, 소스와 막이 상이한 조성을 가지기 쉽다. 따라서, 조성의 변화를 고려해서 소스가 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 소스와 막의 조성의 차이는 온도 이외에도 압력 또는 퇴적에 이용되는 가스의 영향을 받기도 한다.
대표적인 산화물 타깃의 조성 및 그 산화물 타깃을 사용하는 스퍼터링에 의하여 퇴적된 산화물의 조성에 대하여 이하에서 설명한다. 예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1의 원자 비율을 갖는 산화물 타깃을 사용하여 퇴적된 In-Ga-Zn 산화물의 조성은 In:Ga:Zn=1:(0.8~1.1):(0.5~0.9)이다. In:Ga:Zn=3:1:2의 원자 비율을 갖는 산화물 타깃을 사용하여 퇴적된 In-Ga-Zn 산화물의 조성은 In:Ga:Zn=3:(0.8~1.1):(1.0~1.8)이다. In:Ga:Zn=4:2:4.1의 원자 비율을 갖는 산화물 타깃을 사용하여 퇴적된 In-Ga-Zn 산화물의 조성은 In:Ga:Zn=4:(2.6~3.2):(2.2~3.4)이다.
반도체(406)는 적층 구조를 가져도 좋다. 예를 들어, 도 13의 (A)에 도시된 바와 같이, 반도체(406)는 반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c)를 포함하여도 좋다. 반도체(406c)는 절연체(412)의 일부가 될 수 있다. 또한, 도 13의 (A)는 도 3의 (A)의 일점쇄선 A3-A4를 따르는 단면도의 일부이다.
도 13의 (A)는 절연체(402)의 일부가 에칭에 의하여 얇아지는 예를 도시한 것이다.
도 13의 (A)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터에서, 반도체(406b)는 도전체(404)의 전계에 의하여 전기적으로 둘러싸인다. 도전체의 전계에 의하여 반도체가 전기적으로 둘러싸인 트랜지스터 구조를 surrounded channel(s-channel) 구조라고 한다. 따라서, 반도체(406b) 전체(벌크)에 채널이 형성되는 경우가 있다. s-channel 구조에서는, 트랜지스터의 소스와 드레인 사이에 대량의 전류가 흐를 수 있어, 도통 상태에서 높은 전류(온 상태 전류)를 얻을 수 있다. 또한, 펀치스루 현상이 s-channel 구조에서 억제될 수 있으므로, 포화 영역에서의 트랜지스터의 전기 특성이 안정화될 수 있다.
s-channel 구조는 높은 온 상태 전류를 얻을 수 있기 때문에 미세화된 트랜지스터에 적합하다. 미세화된 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치는 높은 집적도와 높은 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터의 채널 길이는 어느 영역에서 바람직하게는 40nm 이하, 더 바람직하게는 30nm 이하, 더 바람직하게는 20nm 이하이고, 트랜지스터의 채널 폭은 어느 영역에서 바람직하게는 40nm 이하, 더 바람직하게는 30nm 이하, 더 바람직하게는 20nm 이하이다.
반도체(406a), 반도체(406b), 반도체(406c) 등으로서 사용될 수 있는 산화물 반도체에 대하여 이하에서 설명한다.
반도체(406b)는, 예를 들어, 인듐을 포함하는 산화물 반도체이다. 산화물 반도체(406b)는, 예를 들어, 인듐을 포함함으로써, 높은 캐리어 이동도(전자 이동도)를 가질 수 있다. 반도체(406b)는 원소 M을 포함하면 바람직하다. 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 주석 등인 것이 바람직하다. 원소 M으로서 사용될 수 있는 다른 원소는, 붕소, 실리콘, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐 등이다. 또한, 원소 M으로서, 상술한 원소를 2 이상 조합하여 사용하여도 좋다. 원소 M은, 예를 들어 산소와의 결합 에너지가 높은 원소이다. 원소 M은, 산소와의 결합 에너지가 인듐보다 높은 원소이다. 원소 M은, 예를 들어, 산화물 반도체의 에너지 갭을 증가시킬 수 있는 원소이다. 또한, 반도체(406b)는 아연을 포함하면 바람직하다. 산화물 반도체가 아연을 포함할 때, 산화물 반도체는 결정화되기 쉬운 경우가 있다.
또한, 반도체(406b)는 인듐을 포함하는 산화물 반도체에 한정되지 않는다. 반도체(406b)는, 예를 들어, 인듐을 포함하지 않고 아연을 포함하는 산화물 반도체, 인듐을 포함하지 않고 갈륨을 포함하는 산화물 반도체, 또는 인듐을 포함하지 않고 주석을 포함하는 산화물 반도체(예를 들어 아연 주석 산화물 또는 갈륨 주석 산화물)일 수 있다.
반도체(406b)에는 에너지 갭이 넓은 산화물을 사용하면 좋다. 예를 들어 반도체(406b)의 에너지 갭은 2.5eV 이상 4.2eV 이하, 바람직하게는 2.8eV 이상 3.8eV 이하, 더 바람직하게는 3eV 이상 3.5eV 이하이다.
예를 들어, 반도체(406a) 및 반도체(406c)는 반도체(406b)에 포함되는 산소 이외의 원소를 1종 이상 포함하는 산화물 반도체이다. 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 각각은 반도체(406b)에 포함되는 산소 이외의 원소를 1종 이상 포함하기 때문에, 반도체(406a)와 반도체(406b) 사이의 계면, 및 반도체(406b)와 반도체(406c) 사이의 계면에서 계면 상태가 형성되기 어렵다.
반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c)는 적어도 인듐을 포함하면 바람직하다. 반도체(406a)로서 In-M-Zn 산화물을 사용하는 경우, In 및 M의 합계가 100atomic%로서 상정되면, In 및 M의 비율을 각각 50atomic% 미만 및 50atomic%보다 크게 설정하는 것이 바람직하고, 각각 25atomic% 미만 및 75atomic%보다 크게 설정하는 것이 더 바람직하다. 반도체(406b)로서 In-M-Zn 산화물을 사용하는 경우, In 및 M의 합계가 100atomic%로서 상정되면, In 및 M의 비율을 각각 25atomic%보다 크게 및 75atomic% 미만으로 설정하는 것이 바람직하고, 각각 34atomic%보다 크게 및 66atomic% 미만으로 설정하는 것이 더 바람직하다. 반도체(406c)로서 In-M-Zn 산화물을 사용하는 경우, In 및 M의 합계가 100atomic%로서 상정되면, In 및 M의 비율을 각각 50atomic% 미만 및 50atomic%보다 크게 설정하는 것이 바람직하고, 각각 25atomic% 미만 및 75atomic%보다 크게 설정하는 것이 더 바람직하다. 또한, 반도체(406c)는 반도체(406a)와 동일한 종류의 산화물일 수 있다. 또한, 반도체(406a) 및/또는 반도체(406c)는 인듐을 포함할 필요가 없는 경우가 있다. 예를 들어, 반도체(406a) 및/또는 반도체(406c)는 산화 갈륨이 될 수 있다.
반도체(406b)로서는 반도체들(406a 및 406c)보다 전자 친화력이 높은 산화물을 사용한다. 예를 들어, 반도체(406b)로서는 반도체들(406a 및 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 친화력이란, 진공 준위와 전도대 아래 사이의 에너지 차이를 말한다.
인듐 갈륨 산화물은, 낮은 전자 친화력과, 높은 산소 차단성을 갖는다. 따라서, 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％ 이상이다.
이때, 게이트 전압을 인가하면, 반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c) 중에서 전자 친화력이 가장 높은 반도체(406b)에 채널이 형성된다.
도 13의 (B)는 도 13의 (A)의 일점쇄선 F1-F2를 따르는 밴드 다이어그램이다. 도 13의 (B)는 진공 준위(vacuum level로 제시됨), 층들 각각의 전도대 아래의 에너지(Ec로 제시됨) 및 가전자대 상단의 에너지(Ev로 제시됨)를 나타내는 것이다.
여기서, 반도체(406a)와 반도체(406b) 사이에는 반도체(406a)와 반도체(406b)의 혼합 영역이 있는 경우가 있다. 또한, 반도체(406b)와 반도체(406c) 사이에는 반도체(406b)와 반도체(406c)의 혼합 영역이 있는 경우가 있다. 혼합 영역은 계면 상태 밀도가 낮다. 이러한 이유로, 반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c)를 포함하는 적층은 각 계면 및 계면 근방에서의 에너지가 연속적으로 변화되는(연속 접합) 밴드 구조를 갖는다.
이때, 전자는 반도체(406a) 및 반도체(406c)가 아니라, 반도체(406b)에서 주로 이동한다. 상술한 바와 같이, 반도체(406a)와 반도체(406b) 사이의 계면에서의 계면 상태 밀도 및 반도체(406b)와 반도체(406c) 사이의 계면에서의 계면 상태 밀도가 저감될 때, 반도체(406b)에서의 전자의 이동이 억제될 가능성이 적고, 트랜지스터의 온 상태 전류를 증가시킬 수 있다.
전자의 이동을 억제하는 요인을 저감할수록, 트랜지스터의 온 상태 전류는 증가될 수 있다. 예를 들어, 전자의 이동을 억제하는 요인이 없는 경우, 전자가 효율적으로 이동한다고 추정된다. 전자의 이동은, 예를 들어, 채널 형성 영역의 물리적인 요철이 큰 경우에 억제된다.
트랜지스터의 온 상태 전류를 증가시키기 위해서는, 예를 들어, 반도체(406b)의 상면 또는 하면(형성면; 여기서는 반도체(406a))의 1μm×1μm의 측정 면적에 있어서의 자승 평균 평방근(RMS: root mean square) 거칠기가 1nm 미만, 바람직하게는 0.6nm 미만, 더 바람직하게는 0.5nm 미만, 더 바람직하게는 0.4nm 미만이다. 1μm×1μm의 측정 면적에서의 평균 면 거칠기(Ra라고도 함)가 1nm 미만, 바람직하게는 0.6nm 미만, 더 바람직하게는 0.5nm 미만, 더 바람직하게는 0.4nm 미만이다. 1μm×1μm의 측정 면적에서의 최대 차이점(P-V)이 10nm 미만, 바람직하게는 9nm 미만, 더 바람직하게는 8nm 미만, 더 바람직하게는 7nm 미만이다. RMS 거칠기, Ra, 및 P-V는 주사형 프로브 현미경 SPA-500(SII Nano Technology Inc.제)을 사용하여 측정될 수 있다.
예를 들어, 채널이 형성되는 영역 내의 결함 상태 밀도가 높은 경우에도, 전자의 이동은 억제된다.
예를 들어, 반도체(406b)가 산소 빈자리(VO에 의해서도 제시됨)를 포함하는 경우, 산소 빈자리 사이트에 수소가 들어감으로써 도너 준위를 형성하는 경우가 있다. 이하 설명에서, 산소 빈자리의 사이트에 수소가 들어가는 상태를 VOH로 제시하는 경우가 있다. VOH는 전자를 산란시키기 때문에, VOH는 트랜지스터의 온 상태 전류를 저하시키는 요인이다. 또한, 산소 빈자리의 사이트는 수소가 들어가는 것보다 산소가 들어가는 것에 의하여 더 안정화된다. 따라서, 반도체(406b) 중의 산소 빈자리를 저감시킴으로써, 트랜지스터의 온 상태 전류를 증가시킬 수 있는 경우가 있다.
반도체(406b)의 산소 빈자리를 저감시키기 위하여, 예를 들어, 절연체(402)에서의 과잉 산소를 반도체(406a)를 통하여 반도체(406b)까지 이동시키는 방법이 있다. 이 경우, 반도체(406a)는 산소 투과성을 갖는 층(산소가 통과 또는 투과되는 층)인 것이 바람직하다.
트랜지스터가 s-channel 구조를 갖는 경우, 반도체(406b) 전체에 채널이 형성된다. 따라서, 반도체(406b)의 두께가 클수록 채널 영역은 커진다. 바꿔 말하면, 반도체(406b)가 두꺼울수록, 트랜지스터의 온 상태 전류는 커진다. 예를 들어, 반도체(406b)는 20nm 이상, 바람직하게는 40nm 이상, 더 바람직하게는 60nm 이상, 더 바람직하게는 100nm 이상의 두께의 영역을 갖는다. 또한, 반도체 장치의 생산성이 저하될 수 있기 때문에, 반도체(406b)는 예를 들어 300nm 이하, 바람직하게는 200nm 이하, 더 바람직하게는 150nm 이하의 두께의 영역을 갖는다.
또한, 트랜지스터의 온 상태 전류를 증가시키기 위해서는, 반도체(406c)의 두께를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체(406c)는 10nm 미만, 바람직하게는 5nm 이하, 더 바람직하게는 3nm 이하의 두께의 영역을 갖는다. 한편, 반도체(406c)는, 채널이 형성되는 반도체(406b)에, 인접하는 절연체에 포함되는 산소 이외의 원소(수소 및 실리콘 등)가 들어가는 것을 차단하는 기능을 갖는다. 이러한 이유로, 반도체(406c)는 일정한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체(406c)는 0.3nm 이상, 바람직하게는 1nm 이상, 더 바람직하게는 2nm 이상의 두께의 영역을 갖는다. 반도체(406c)는 절연체(402) 등으로부터 방출되는 산소의 외부 확산을 억제하기 위하여 산소 차단 특성을 갖는 것이 바람직하다.
신뢰성을 향상시키기 위해서는, 반도체(406a)의 두께는 크고 반도체(406c)의 두께는 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체(406a)는 예를 들어 10nm 이상, 바람직하게는 20nm 이상, 더 바람직하게는 40nm 이상, 더 바람직하게는 60nm 이상의 두께의 영역을 갖는다. 반도체(406a)의 두께를 크게 하면, 인접하는 절연체와 반도체(406a) 사이의 계면으로부터 채널이 형성되는 반도체(406b)까지의 거리를 크게 할 수 있다. 반도체 장치의 생산성이 저하될 수 있기 때문에, 예를 들어, 반도체(406a)는 200nm 이하, 바람직하게는 120nm 이하, 더 바람직하게는 80nm 이하의 두께의 영역을 갖는다.
예를 들어, 반도체(406b)와 반도체(406a) 사이에, SIMS(secondary ion mass spectrometry)에 의하여 측정되는 실리콘 농도가 1×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 2×1018atoms/cm3 미만인 영역이 제공된다. 반도체(406b)와 반도체(406c) 사이에, SIMS에 의하여 측정되는 실리콘 농도가 1×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 2×1018atoms/cm3 미만인 영역이 제공된다.
반도체(406b)는, SIMS에 의하여 측정되는 수소의 농도가 2×1020atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하인 영역을 갖는다. 반도체(406b)의 수소 농도를 저감시키기 위하여, 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 수소 농도를 저감시키면 바람직하다. 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 각각은, SIMS에 의하여 측정되는 수소의 농도가 2×1020atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하인 영역을 갖는다. 반도체(406b)는, SIMS에 의하여 측정되는 질소의 농도가 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하인 영역을 갖는다. 반도체(406b)의 질소의 농도를 저감시키기 위하여, 반도체(406a) 및 반도체(406c)의 질소의 농도를 저감시키면 바람직하다. 반도체(406a) 및 반도체(406c)는 각각, SIMS에 의하여 측정되는 질소의 농도가, 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하인 영역을 갖는다.
상술한 3층 구조는 일례이다. 예를 들어, 반도체(406a) 또는 반도체(406c)가 없는 2층 구조를 채용하여도 좋다. 반도체(406a) 위 또는 아래, 또는 반도체(406c) 위 또는 아래에, 반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c)의 예로서 기재된 반도체 중 어느 하나가 제공되는 4층 구조를 채용하여도 좋다. 반도체(406a) 위, 반도체(406a) 아래, 반도체(406c) 위, 및 반도체(406c) 아래 중 2 이상의 위치에, 반도체(406a), 반도체(406b), 및 반도체(406c)의 예로서 기재된 반도체 중 어느 하나가 제공되는 n층 구조(n은 5 이상의 정수(整數))를 채용하여도 좋다.
반도체(506) 및 반도체(606)에는 반도체(406)의 설명을 원용한다.
<반도체 장치>
이하에서는 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치의 예에 대하여 설명한다.
<회로>
이하에서는 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터를 포함하는 회로의 예에 대하여 설명한다.
<CMOS 인버터>
도 14의 (A)의 회로도는 p-채널 트랜지스터(2200)와 n-채널 트랜지스터(2100)를 서로 직렬로 접속시키고 각각의 게이트를 서로 접속시킨, 소위 CMOS 인버터의 구성을 나타낸 것이다.
<반도체 장치의 구조 1>
도 15는 도 14의 (A)의 반도체 장치의 단면도이다. 도 15에 나타낸 반도체 장치는 트랜지스터(2200) 및 트랜지스터(2100)를 포함한다. 트랜지스터(2100)는 트랜지스터(2200) 위에 배치된다. 도 8의 (A) 및 (B)에 나타낸 트랜지스터가 트랜지스터(2100)로서 사용되는 예가 나타내어지지만, 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3의 (A) 및 (B)에 나타낸 트랜지스터는 트랜지스터(2100)로서 사용될 수 있다. 따라서, 트랜지스터(2100)에는 상술한 트랜지스터에 관한 설명을 적절히 원용한다.
도 15에 나타내어진 트랜지스터(2200)는 반도체 기판(450)을 사용한 트랜지스터이다. 트랜지스터(2200)는 반도체 기판(450)에서의 영역(472a), 반도체 기판(450)에서의 영역(472b), 절연체(462), 및 도전체(454)를 포함한다.
트랜지스터(2200)에서 영역(472a) 및 영역(472b)은 소스 영역 및 드레인 영역의 기능을 갖는다. 절연체(462)는 게이트 절연체의 기능을 갖는다. 도전체(454)는 게이트 전극의 기능을 갖는다. 따라서, 채널 형성 영역의 저항은 도전체(454)에 인가된 전위에 의하여 제어될 수 있다. 바꿔 말하면, 영역(472a)과 영역(472b) 사이의 도통 및 비도통은 도전체(454)에 인가된 전위에 의하여 제어될 수 있다.
반도체 기판(450)에는, 예를 들어, 실리콘, 저마늄 등의 단체 반도체 기판 또는 탄소화 실리콘, 실리콘 저마늄, 갈륨 비소, 인화 인듐, 산화 아연, 산화 갈륨 등의 화합물 반도체 기판을 사용하여도 좋다. 단결정 실리콘 기판은 반도체 기판(450)으로서 사용되는 것이 바람직하다.
반도체 기판(450)에는 n형 도전성을 부여하는 불순물을 포함하는 반도체 기판이 사용된다. 그러나 p형 도전성을 부여하는 불순물을 포함하는 반도체 기판이 반도체 기판(450)으로서 사용되어도 좋다. 이 경우, n형 도전성을 부여하는 불순물을 포함하는 웰(well)이, 트랜지스터(2200)가 형성되는 영역에 제공되어도 좋다. 또는, 반도체 기판(450)은 i형 반도체 기판이어도 좋다.
반도체 기판(450)의 상면은 (110)면을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 트랜지스터(2200)의 온 상태 특성을 향상시킬 수 있다.
영역(472a) 및 영역(472b)은 p형 도전성을 부여하는 불순물을 포함하는 영역이다. 따라서, 트랜지스터(2200)는 p-채널 트랜지스터 구조를 갖는다.
또한, 트랜지스터(2200)는 영역(460) 등에 의하여, 인접되는 트랜지스터로부터 분리된다. 영역(460)은 절연성 영역이다.
도 15에 나타낸 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(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 도전체(498a), 도전체(498b), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494)를 포함한다.
절연체(464)는 트랜지스터(2200) 위에 배치된다. 절연체(466)는 절연체(464) 위에 배치된다. 절연체(468)는 절연체(466) 위에 배치된다. 절연체(490)는 절연체(468) 위에 배치된다. 트랜지스터(2100)는 절연체(490) 위에 배치된다. 절연체(492)는 트랜지스터(2100) 위에 배치된다. 절연체(494)는 절연체(492) 위에 배치된다.
절연체(464)는 영역(472a)에 도달하는 개구, 영역(472b)에 도달하는 개구, 및 도전체(454)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(480a), 도전체(480b), 및 도전체(480c)가 각각 매립된다.
또한, 절연체(466)는 도전체(480a)에 도달하는 개구, 도전체(480b)에 도달하는 개구, 및 도전체(480c)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(478a), 도전체(478b), 및 도전체(478c)가 각각 매립된다.
또한, 절연체(468)는 도전체(478b)에 도달하는 개구 및 도전체(478c)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(476a) 및 도전체(476b)가 각각 매립된다.
또한, 절연체(490)는 트랜지스터(2100)의 채널 형성 영역과 중첩되는 개구, 도전체(476a)에 도달하는 개구, 및 도전체(476b)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(474a), 도전체(474b), 및 도전체(474c)가 각각 매립된다.
도전체(474a)는 트랜지스터(2100)의 게이트 전극의 기능을 가져도 좋다. 또는, 문턱 전압 등 트랜지스터(2100)의 전기 특성은, 예를 들어, 도전체(474a)에 소정의 전위를 인가하여 제어될 수 있다. 도전체(474a)는, 예를 들어, 트랜지스터(2100)의 게이트 전극의 기능을 갖는 도전체(404)에 전기적으로 접속될 수 있다. 이 경우, 트랜지스터(2100)의 온 상태 전류를 증가시킬 수 있다. 또한, 펀치스루 현상이 억제될 수 있다; 따라서, 포화 영역에서의 트랜지스터(2100)의 전기 특성이 안정화될 수 있다. 도전체(474b)는 트랜지스터(2100)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽에 접촉된다.
또한, 절연체(492)는 트랜지스터(2100)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽에 도달하는 개구, 트랜지스터(2100)의 게이트 전극에 도달하는 개구, 및 도전체(474c)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(496a), 도전체(496b), 및 도전체(496c)가 각각 매립된다. 또한, 이 경우, 각 개구는 트랜지스터(2100) 등의 구성 요소(들)를 통하여 제공된다.
또한, 절연체(494)는 도전체(496a)에 도달하는 개구, 도전체(496b)에 도달하는 개구, 및 도전체(496c)에 도달하는 개구를 포함하고, 거기에는 도전체(498a) 또는 도전체(498b)가 매립된다.
절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494)는 각각 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성되면 좋다. 절연체(401)는 예를 들어, 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 사용하여 형성되면 좋다.
수소 등의 불순물 및 산소를 차단하는 기능을 갖는 절연체가 절연체(464), 절연체(466), 절연체(468), 절연체(490), 절연체(492), 및 절연체(494) 중 적어도 하나에 포함되는 것이 바람직하다. 수소 등의 불순물 및 산소를 차단하는 기능을 갖는 절연체가 트랜지스터(2100) 근처에 위치할 때, 트랜지스터(2100)의 전기 특성을 안정화시킬 수 있다.
수소 등의 불순물 및 산소를 차단하는 기능을 갖는 절연체가, 예를 들어, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 인, 염소, 아르곤, 갈륨, 저마늄, 이트륨, 지르코늄, 란타넘, 네오디뮴, 하프늄, 또는 탄탈럼을 포함하는 절연체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성되어도 좋다.
도전체(480a), 도전체(480b), 도전체(480c), 도전체(478a), 도전체(478b), 도전체(478c), 도전체(476a), 도전체(476b), 도전체(474a), 도전체(474b), 도전체(496a), 도전체(496b), 도전체(496c), 도전체(498a), 및 도전체(498b) 각각은 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 일종 이상을 포함하는 도전체를 포함하는 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성되면 좋다. 상기 원소를 포함하는 합금 또는 화합물이 사용되어도 좋고, 예를 들어 알루미늄을 포함하는 도전체, 구리 및 타이타늄을 포함하는 도전체, 구리 및 망가니즈를 포함하는 도전체, 인듐, 주석, 및 산소를 포함하는 도전체, 타이타늄 및 질소를 포함하는 도전체 등이 사용되어도 좋다.
또한, 도 16의 반도체 장치는, 트랜지스터(2200)의 구조를 제외하면, 도 15의 반도체 장치와 같다. 따라서, 도 16의 반도체 장치에는 도 15의 반도체 장치의 설명을 원용한다. 도 16의 반도체 장치에서 트랜지스터(2200)는 FIN형 트랜지스터이다. 실효적인 채널 폭은 FIN형 트랜지스터(2200)에서 증가되어, 트랜지스터(2200)의 온 상태 특성이 향상될 수 있다. 또한, 게이트 전극의 전계의 기여가 증가될 수 있으므로, 트랜지스터(2200)의 오프 상태 특성이 향상될 수 있다.
또한, 도 17의 반도체 장치는, 트랜지스터(2200)의 구조를 제외하면, 도 15의 반도체 장치와 같다. 따라서, 도 17의 반도체 장치에는 도 15의 반도체 장치의 설명을 원용한다. 도 17의 반도체 장치에서 트랜지스터(2200)는 SOI 기판을 사용하여 형성된다. 도 17의 구조에서 영역(456)은 절연체(452)를 개재하여 반도체 기판(450)으로부터 분리된다. SOI 기판이 사용되므로, 펀치스루 현상 등이 억제될 수 있다; 따라서, 트랜지스터(2200)의 오프 상태 특성이 향상될 수 있다. 또한, 절연체(452)는 반도체 기판(450)의 일부를 절연체화시킴으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 산화 실리콘은 절연체(452)로서 사용될 수 있다.
또한, 도 15, 16, 및 17에 도시된 반도체 장치 각각에서, 반도체(506)의 단부 및 절연체(502)의 단부는 트랜지스터(2100)에서 서로 실질적으로 배열된다. 이런 형상에 의하여, 소형의 반도체 장치의 소자, 배선 등에 의하여 차지된 면적이 저감될 수 있는 경우가 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치의 구조는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 구조는 도 18, 19, 및 20에 도시된 바와 같이 반도체(506)의 단부 및 절연체(502)의 단부가 트랜지스터(2100)에서 서로 배열되지 않는 것이 채용되어도 좋다.
도 15~20에 나타낸 반도체 장치 각각에서, p-채널 트랜지스터는 반도체 기판을 사용하여 형성되고, n-채널 트랜지스터는 그 위에 형성된다; 따라서, 소자의 점유 면적을 저감할 수 있다. 즉, 반도체 장치의 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제조 공정은 n-채널 트랜지스터 및 p-채널 트랜지스터가 같은 반도체 기판을 사용하여 형성되는 경우에 비하여 단순화될 수 있다; 따라서, 반도체 장치의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 장치의 수율을 향상시킬 수 있다. p-채널 트랜지스터에는, lightly doped drain(LDD) 영역의 형성, shallow trench 구조의 형성, 또는 변형 설계 등의 일부의 복잡한 단계가 생략될 수 있는 경우가 있다. 따라서, n-채널 트랜지스터가 반도체 기판을 사용하여 형성되는 반도체 장치에 비하여, 반도체 장치의 생산성 및 수율이 향상될 수 있는 경우가 있다.
<CMOS 아날로그 스위치>
도 14의 (B)의 회로도는 트랜지스터(2100) 및 트랜지스터(2200)의 소스가 서로 접속되고 트랜지스터(2100) 및 트랜지스터(2200)의 드레인이 서로 접속되는 구성을 나타낸 것이다. 이런 구성에 의하여, 트랜지스터는 소위 CMOS 아날로그 스위치로서 기능할 수 있다.
<기억 장치 1>
전력이 공급되지 않더라도 기억된 데이터를 유지할 수 있고, 기록 횟수에도 제한이 없는, 본 발명의 일 실시예의 트랜지스터를 포함한 반도체 장치(기억 장치)의 예를 도 21의 (A) 및 (B)에 나타내었다.
도 21의 (A)에 도시된 반도체 장치는 제 1 반도체를 사용한 트랜지스터(3200), 제 2 반도체를 사용한 트랜지스터(3300), 및 커패시터(3400)를 포함한다. 또한, 트랜지스터(3300)로서는 상술한 트랜지스터 중 어느 것을 사용할 수 있다.
또한, 트랜지스터(3300)는 낮은 오프 상태 전류를 갖는 트랜지스터인 것이 바람직하다. 예를 들어, 트랜지스터(3300)로서는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 사용할 수 있다. 트랜지스터(3300)의 오프 상태 전류가 낮으므로, 반도체 장치의 소정의 노드에서, 기억된 데이터가 장기간 유지될 수 있다. 바꿔 말하면, 리프레시 동작의 필요가 없어지거나, 또는 리프레시 동작의 빈도를 매우 낮게 할 수 있기 때문에, 반도체 장치의 소비전력을 저감시킬 수 있다.
도 21의 (A)에서 제 1 배선(3001)은 트랜지스터(3200)의 소스에 전기적으로 접속된다. 제 2 배선(3002)은 트랜지스터(3200)의 드레인에 전기적으로 접속된다. 제 3 배선(3003)은 트랜지스터(3300)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속된다. 제 4 배선(3004)은 트랜지스터(3300)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(3200)의 게이트와 트랜지스터(3300)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 커패시터(3400)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다. 제 5 배선(3005)은 커패시터(3400)의 다른 쪽 전극에 전기적으로 접속된다.
도 21의 (A)의 반도체 장치는 트랜지스터(3200)의 게이트의 전위를 유지 가능하다는 특성을 가짐으로써, 이하와 같은 데이터의 기록, 유지, 및 판독이 가능하다.
데이터의 기록 및 유지에 대하여 설명한다. 먼저, 제 4 배선(3004)의 전위를 트랜지스터(3300)가 도통 상태가 되는 전위로 설정하여, 트랜지스터(3300)는 도통 상태가 된다. 이에 따라, 제 3 배선(3003)의 전위는 트랜지스터(3200)의 게이트 및 커패시터(3400)의 한쪽 전극이 서로 전기적으로 접속되는 노드(FG)에 공급된다. 즉, 트랜지스터(3200)의 게이트에 소정의 전하가 공급된다(기록). 여기서, 다른 전위 레벨을 제공하는 2종류의 전하(이하 low 레벨 전하 및 high 레벨 전하라고 함) 중 하나가 공급된다. 그 후, 제 4 배선(3004)의 전위를 트랜지스터(3300)가 비도통 상태가 되는 전위로 설정하여, 트랜지스터(3300)가 비도통 상태가 된다. 따라서, 노드(FG)에 전하가 유지된다(유지).
트랜지스터(3300)의 오프 상태 전류는 매우 낮기 때문에, 노드(FG)의 전하는 장기간 유지된다.
다음에, 데이터의 판독에 대하여 설명한다. 제 1 배선(3001)에 소정의 전위(정전위)를 공급하는 동안 제 5 배선(3005)에 적절한 전위(판독 전위)를 공급함으로써, 노드(FG)에 유지된 전하의 양에 따라 제 2 배선(3002)의 전위가 변동된다. 이것은, 트랜지스터(3200)로서 n-채널 트랜지스터를 사용하는 경우, 트랜지스터(3200)의 게이트에 high 레벨 전하가 주어지는 경우의 외견상 문턱 전압 Vth _H가 트랜지스터(3200)의 게이트에 low 레벨 전하가 주어지는 경우의 외견상 문턱 전압 Vth _L보다 낮기 때문이다. 여기서 외견상 문턱 전압이란 트랜지스터(3200)를 "도통 상태"로 하기 위하여 필요한 제 5 배선(3005)의 전위를 말한다. 따라서, 제 5 배선(3005)의 전위를 Vth _H와 Vth _L 사이의 전위 V0으로 설정함으로써, 노드(FG)에 공급된 전하를 판정할 수 있다. 예를 들어, 기록에 있어서 high 레벨 전하가 노드(FG)에 공급되고 제 5 배선(3005)의 전위가 V0(>Vth _H)인 경우, 트랜지스터(3200)는 "도통 상태"가 된다. 한편, 기록에 있어서 low 레벨 전하가 노드(FG)에 공급되는 경우에는 제 5 배선(3005)의 전위가 V0(<Vth _L)이더라도 트랜지스터(3200)는 "비도통 상태"를 계속해서 유지한다. 따라서, 제 2 배선(3002)의 전위를 판정함으로써, 노드(FG)에 유지된 데이터를 판독할 수 있다.
또한, 메모리 셀이 배열되는 경우에는 판독 동작에 있어서 원하는 메모리 셀의 데이터를 판독할 필요가 있다. 다른 메모리 셀의 데이터를 판독하지 않는 경우, 노드(FG)에 공급되는 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 공급되는 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 22는 도 21의 (A)의 반도체 장치의 단면도이다. 도 22에 나타낸 반도체 장치는 트랜지스터(3200), 트랜지스터(3300), 및 커패시터(3400)를 포함한다. 트랜지스터(3300) 및 커패시터(3400)는 트랜지스터(3200) 위에 배치된다. 또한, 트랜지스터(3300)에는, 상술한 트랜지스터(2100)의 설명을 참조한다. 또한, 트랜지스터(3200)에는, 도 15의 트랜지스터(2200)의 설명을 참조한다. 또한, 도 15에 트랜지스터(2200)가 p-채널 트랜지스터로서 도시되었지만, 트랜지스터(3200)가 n-채널 트랜지스터이어도 좋다.
트랜지스터(3200)의 소스 또는 드레인은 도전체(480a), 도전체(478a), 도전체(476a), 및 도전체(474b)를 통하여 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(3200)의 게이트 전극은 도전체(480c), 도전체(478c), 도전체(476b), 및 도전체(474c)를 통하여 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽에 전기적으로 접속된다.
커패시터(3400)는 트랜지스터(3300)의 소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽에 전기적으로 접속되는 전극, 도전체(414), 및 절연체를 포함한다. 생산성이 향상될 수 있으므로, 절연체가 트랜지스터(3300)의 게이트 절연체와 같은 단계에 의하여 형성되는 층이 되는 것이 바람직한 경우가 있다. 생산성이 향상될 수 있으므로, 도전체(414)가 트랜지스터(3300)의 게이트 전극과 같은 단계에 의하여 형성되는 층이 되는 것이 바람직한 경우가 있다.
다른 구성 요소들의 구조에는 도 15의 설명을 참조한다.
또한, 도 23의 반도체 장치는, 트랜지스터(3200)의 구조를 제외하면, 도 22의 반도체 장치와 같다. 따라서, 도 23의 반도체 장치에 대해서는 도 22의 반도체 장치의 설명을 참조한다. 구체적으로, 도 23의 반도체 장치에서, 트랜지스터(3200)는 FIN형 트랜지스터이다. FIN형 트랜지스터(3200)에 대해서는 도 16의 트랜지스터(2200)의 설명을 참조한다. 또한 도 16에는 트랜지스터(2200)가 p-채널 트랜지스터로서 도시되었지만, 트랜지스터(3200)는 n-채널 트랜지스터이어도 좋다.
도 24의 반도체 장치는, 트랜지스터(3200)의 구조를 제외하면, 도 22의 반도체 장치와 같다. 따라서, 도 24의 반도체 장치에 대해서는 도 22의 반도체 장치의 설명을 참조한다. 구체적으로, 도 24의 반도체 장치에서 트랜지스터(3200)는 SOI 기판인 반도체 기판(450)에 제공된다. SOI 기판인 반도체 기판(450)에 제공되는 트랜지스터(3200)에 대해서는, 도 17의 트랜지스터(2200)의 설명을 참조한다. 또한, 도 17에는 트랜지스터(2200)가 p-채널 트랜지스터로서 도시되었지만, 트랜지스터(3200)는 n-채널 트랜지스터이어도 좋다.
또한, 도 22, 23, 및 24에 도시된 반도체 장치 각각에서, 반도체(506)의 단부 및 절연체(502)의 단부는 트랜지스터(3300)에서 서로 실질적으로 배열된다. 이런 형상에 의하여, 소형의 반도체 장치의 소자, 배선 등에 의하여 차지된 면적이 저감될 수 있는 경우가 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치의 구조는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 구조는 도 25, 26, 및 27에 도시된 바와 같이 반도체(506)의 단부 및 절연체(502)의 단부가 트랜지스터(3300)에서 서로 배열되지 않는 것이 채용되어도 좋다.
<기억 장치 2>
도 21의 (B)의 반도체 장치는, 트랜지스터(3200)가 제공되지 않는 점에서, 도 21의 (A)의 반도체 장치와 다르다. 이 경우에도 도 21의 (A)의 반도체 장치와 비슷한 식으로 데이터가 기록 및 유지될 수 있다.
도 21의 (B)의 반도체 장치의 데이터 판독에 대하여 설명한다. 트랜지스터(3300)가 도통 상태가 될 때, 부유 상태에 있는 제 3 배선(3003)과 커패시터(3400)가 도통 상태가 되고, 전하가 제 3 배선(3003)과 커패시터(3400) 사이에서 재분배된다. 결과적으로 제 3 배선(3003)의 전위가 변화된다. 제 3 배선(3003)의 전위 변화량은 커패시터(3400)의 한쪽 전극의 전위(또는 커패시터(3400)에 축적된 전하)에 따라 변동된다.
예를 들어, 전하 재분배 후의 제 3 배선(3003)의 전위는 (C B×V B0+C×V)/(C B+C)이고, V는 커패시터(3400)의 한쪽 전극의 전위, C는 커패시터(3400)의 용량, C B는 제 3 배선(3003)의 용량 성분, 및 V B0은 전하 재분배 전의 제 3 배선(3003)의 전위이다. 따라서, 메모리 셀이 커패시터(3400)의 한쪽 전극의 전위가 V 1 및 V 0(V 1>V 0)인 2가지 상태 중 어느 상태이라고 가정하면, 전위 V 1을 유지하는 경우의 제 3 배선(3003)의 전위(=(C B×V B0+C×V 1)/(C B+C))가 전위 V 0을 유지하는 경우의 제 3 배선(3003)의 전위(=(C B×V B0+C×V 0)/(C B+C))보다 높다는 것을 알 수 있다.
그리고 소정의 전위와 제 3 배선(3003)의 전위를 비교함으로써, 데이터를 판독할 수 있다.
이 경우, 제 1 반도체를 포함하는 트랜지스터는 메모리 셀을 구동하기 위한 구동 회로에 사용될 수 있고, 제 2 반도체를 포함하는 트랜지스터는 트랜지스터(3300)로서 구동 회로 위에 적층되면 좋다.
산화물 반도체가 사용되고 낮은 오프 상태 전류를 갖는 트랜지스터를 포함하는 경우, 상술한 반도체 장치는 기억된 데이터를 장기간 유지할 수 있다. 바꿔 말하면, 리프레시 동작이 필요 없게 되거나 또는 리프레시 동작의 빈도를 매우 낮게 할 수 있으므로, 반도체 장치의 소비전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 전력이 공급되지 않더라도(다만, 전위는 고정되는 것이 바람직함) 기억된 데이터를 장기간 유지할 수 있다.
상기 반도체 장치에서 데이터를 기록하기 위하여 높은 전압은 필요하지 않고, 소자의 열화의 발생이 적다. 예를 들어, 종래의 불휘발성 메모리와는 달리, 플로팅 게이트로의 전자의 주입 및 플로팅 게이트로부터의 전자의 추출이 필요하지 않아, 절연체의 열화 등의 문제가 일어나지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치는 종래의 불휘발성 메모리의 문제인 데이터 재기록 가능 횟수에 제한이 없고, 신뢰성은 대폭 향상된다. 또한, 트랜지스터의 도통 상태/비도통 상태에 따라 데이터가 기록되기 때문에, 고속 동작을 달성할 수 있다.
<CPU>
상술한 트랜지스터 또는 상술한 기억 장치 중 어느 것 등의 반도체 장치를 포함하는 CPU에 대하여 아래에 설명한다.
도 28은 상술한 트랜지스터 중 어느 것을 구성 요소로서 포함하는 CPU의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 28에 도시된 CPU는 기판(1190) 위에, 논리 연산 유닛(ALU)(1191), ALU 제어기(1192), 명령 디코더(1193), 인터럽트 제어기(1194), 타이밍 제어기(1195), 레지스터(1196), 레지스터 제어기(1197), 버스 인터페이스(1198), 재기록 가능한 ROM(1199), 및 ROM 인터페이스(1189)를 포함한다. 반도체 기판, SOI 기판, 유리 기판 등이 기판(1190)으로서 사용된다. ROM(1199) 및 ROM 인터페이스(1189)는 별도의 칩 위에 제공되어도 좋다. 물론, 도 28의 CPU는 단지 구성이 단순화된 예이고, 실제의 CPU는 응용에 따라 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, CPU는 다음의 구성을 가질 수 있다: 연산 회로 또는 도 28에 도시된 CPU를 포함하는 구조가 하나의 코어로서 생각되고; 복수의 코어가 포함되고; 코어는 병렬에서 동작한다. CPU가 내부 연산 회로 또는 데이터 버스에서 처리할 수 있는 비트 수는 예를 들어 8, 16, 32 또는 64일 수 있다.
버스 인터페이스(1198)를 통해 CPU에 입력되는 명령은 명령 디코더(1193)에 입력되고 거기서 디코딩되고, 이후, ALU 제어기(1192), 인터럽트 제어기(1194), 레지스터 제어기(1197), 및 타이밍 제어기(1195)에 입력된다.
ALU 제어기(1192), 인터럽트 제어기(1194), 레지스터 제어기(1197), 및 타이밍 제어기(1195)는 디코딩된 명령에 따라 다양한 제어를 수행한다. 구체적으로는, ALU 제어기(1192)는 ALU(1191)의 동작을 제어하기 위한 신호를 생성한다. CPU가 프로그램을 실행하는 동안, 인터럽트 제어기(1194)는 외부 입력/출력 장치 또는 주변 회로로부터의 인터럽트 요구를 그것의 우선도 또는 마스크 상태에 기초하여 판별하고, 그 요구를 처리한다. 레지스터 제어기(1197)는 레지스터(1196)의 어드레스를 생성하고, CPU의 상태에 따라 레지스터(1196)로부터/레지스터(1196)에 데이터를 판독/기록한다.
타이밍 제어기(1195)는 ALU(1191), ALU 제어기(1192), 명령 디코더(1193), 인터럽트 제어기(1194), 및 레지스터 제어기(1197)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 신호를 생성한다. 예를 들어, 타이밍 제어기(1195)는 기준 클럭 신호에 기초한 내부 클럭 신호를 생성하기 위한 내부 클럭 생성기를 포함하고, 내부 클럭 신호를 상술한 회로에 공급한다.
도 28에 도시된 CPU에서, 메모리 셀은 레지스터(1196)에 제공된다. 레지스터(1196)의 메모리 셀에는, 상술한 트랜지스터, 상술한 기억 장치 등 중 어느 것을 사용할 수 있다.
도 28에 도시된 CPU에서, 레지스터 제어기(1197)는 ALU(1191)로부터의 명령에 따라 레지스터(1196)에서 데이터를 유지하는 동작을 선택한다. 즉, 레지스터 제어기(1197)는 레지스터(1196)에 포함된 메모리 셀 내의 플립플롭에 의하여 데이터가 유지될지 또는 레지스터(1196)에 포함된 메모리 셀 내의 커패시터에 의하여 데이터가 유지될지를 선택한다. 플립플롭에 의한 데이터 유지가 선택될 때, 전원 전압은 레지스터(1196) 내의 메모리 셀에 공급된다. 커패시터에 의한 데이터 유지가 선택될 때, 이 데이터는 커패시터에 재기록되고, 레지스터(1196) 내의 메모리 셀로의 전원 전압의 공급이 정지될 수 있다.
도 29는 레지스터(1196)로서 사용될 수 있는 기억 소자(1200)의 회로도의 예이다. 기억 소자(1200)는 전원 공급이 정지될 때 기억 데이터가 휘발성인 회로(1201), 전원 공급이 정지될 때에도 기억 데이터가 불휘발성인 회로(1202), 스위치(1203), 스위치(1204), 논리 소자(1206), 커패시터(1207), 및 선택 기능을 갖는 회로(1220)를 포함한다. 회로(1202)는 커패시터(1208), 트랜지스터(1209), 및 트랜지스터(1210)를 포함한다. 또한, 기억 소자(1200)가 다이오드, 레지스터, 또는 인덕터 등 다른 소자를 필요에 따라 더 포함하여도 좋다.
여기서, 상술한 기억 장치는 회로(1202)로서 사용될 수 있다. 기억 소자(1200)에 대한 전원 전압의 공급이 정지될 때, 회로(1202) 내의 트랜지스터(1209)가 오프가 되는 전위 또는 GND(0V)가 트랜지스터(1209)의 게이트에 계속 입력된다. 예를 들어, 트랜지스터(1209)의 게이트는 레지스터 등의 부하를 통하여 접지된다.
여기에는, 스위치(1203)가 하나의 도전형을 갖는 트랜지스터(1213)(예를 들어, n-채널 트랜지스터)이고 스위치(1204)가 상기 하나의 도전형과 반대인 도전형을 갖는 트랜지스터(1214)(예를 들어, p-채널 트랜지스터)인 예를 나타낸다. 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 대응하고, 스위치(1203)의 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 또는 비도통(즉, 트랜지스터(1213)의 도통/비도통 상태)은 트랜지스터(1213)의 게이트에 입력된 제어 신호 RD에 의하여 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 대응하고, 스위치(1204)의 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 또는 비도통(즉, 트랜지스터(1214)의 도통/비도통 상태)은 트랜지스터(1214)의 게이트에 입력된 제어 신호 RD에 의하여 선택된다.
트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 커패시터(1208)의 한 쌍의 전극 중 한쪽 및 트랜지스터(1210)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 여기서, 접속 부분은 노드(M2)라고 한다. 트랜지스터(1210)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 낮은 전원 전위를 공급할 수 있는 선(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 VDD를 공급할 수 있는 선에 전기적으로 접속된다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽), 스위치(1204)의 제 1 단자(트랜지스터(1214)의 소스 및 드레인 중 한쪽), 논리 소자(1206)의 입력 단자, 및 커패시터(1207)의 한 쌍의 전극 중 한쪽은 서로 전기적으로 접속된다. 여기서, 접속 부분은 노드(M1)라고 한다. 커패시터(1207)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽에는 정전위가 공급될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(1207)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽에는 낮은 전원 전위(예를 들어, GND) 또는 높은 전원 전위(예를 들어 VDD)가 공급될 수 있다. 커패시터(1207)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은 낮은 전원 전위를 공급할 수 있는 선(예를 들어, GND선)에 전기적으로 접속된다. 커패시터(1208)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽에는 정전위가 공급될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(1208)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽에는 낮은 전원 전위(예를 들어, GND) 또는 높은 전원 전위(예를 들어 VDD)가 공급될 수 있다. 커패시터(1208)의 한 쌍의 전극 중 다른 쪽은 낮은 전원 전위를 공급할 수 있는 선(예를 들어, GND선)에 전기적으로 접속된다.
커패시터(1207) 및 커패시터(1208)는 트랜지스터, 배선 등의 기생 용량을 적극적으로 이용하기만 하면 반드시 제공될 필요는 없다.
제어 신호 WE는 트랜지스터(1209)의 게이트에 입력된다. 스위치(1203) 및 스위치(1204)의 각각에 대하여, 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 도통 상태 또는 비도통 상태는 제어 신호 WE와 상이한 제어 신호 RD에 의하여 선택된다. 스위치들 중 하나의 제 1 단자 및 제 2 단자가 도통 상태에 있는 경우, 스위치들 중 다른 하나의 제 1 단자 및 제 2 단자는 비도통 상태에 있다.
회로(1201)에서 유지된 데이터에 대응하는 신호는 트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 입력된다. 도 29는 회로(1201)로부터 출력된 신호가 트랜지스터(1209)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 입력되는 예를 도시한 것이다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력된 신호의 논리 값은 논리 소자(1206)에 의하여 반전되고, 반전된 신호는 회로(1220)를 통하여 회로(1201)에 입력된다.
도 29의 예에서, 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력된 신호는 논리 소자(1206) 및 회로(1220)를 통하여 회로(1201)에 입력된다; 그러나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다. 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력된 신호는 논리 값이 반전되지 않고 회로(1201)에 입력되어도 좋다. 예를 들어, 입력 단자로부터 입력된 신호의 논리 값의 반전에 의하여 얻어진 신호가 유지되는 노드를 회로(1201)가 포함하는 경우, 스위치(1203)의 제 2 단자(트랜지스터(1213)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽)로부터 출력된 신호는 노드에 입력될 수 있다.
도 29에서, 트랜지스터(1209)를 제외한 기억 소자(1200)에 포함된 트랜지스터들은 각각, 산화물 반도체 이외의 반도체를 사용하여 형성된 막 또는 기판(1190)에 채널이 형성되는 트랜지스터가 될 수 있다. 예를 들어, 이 트랜지스터는 실리콘막 또는 실리콘 기판에 채널이 형성되는 트랜지스터가 될 수 있다. 또는, 기억 소자(1200)에서의 모든 트랜지스터들은 채널이 산화물 반도체에 형성되는 트랜지스터가 될 수 있다. 또는, 기억 소자(1200)에서, 트랜지스터(1209) 외에, 채널이 산화물 반도체에 형성되는 트랜지스터가 포함될 수 있고, 산화물 반도체 이외의 반도체를 사용하여 형성되는 층 또는 기판(1190)에 채널이 형성되는 트랜지스터가 나머지 트랜지스터에 사용될 수 있다.
도 29의 회로(1201)로서, 예를 들어, 플립플롭 회로가 사용될 수 있다. 논리 소자(1206)로서, 예를 들어, 인버터 또는 클럭드 인버터가 사용될 수 있다.
기억 소자(1200)에 전원 전압이 공급되지 않는 기간 동안, 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치는 회로(1201) 내에 기억된 데이터를 회로(1202)에 제공된 커패시터(1208)에 의하여 유지할 수 있다.
채널이 산화물 반도체에 형성되는 트랜지스터의 오프 상태 전류는 매우 낮다. 예를 들어, 채널이 산화물 반도체에 형성되는 트랜지스터의 오프 상태 전류는, 채널이 결정성을 갖는 실리콘에 형성되는 트랜지스터보다 상당히 낮다. 따라서, 상기 트랜지스터가 트랜지스터(1209)로서 사용될 때, 커패시터(1208)에 유지된 신호는 전원 전압이 기억 소자(1200)에 공급되지 않는 기간에도 장기간 유지된다. 따라서, 기억 소자(1200)는 전원 전압의 공급이 정지된 기간에도 기억 내용(데이터)을 적절히 유지할 수 있다.
상술한 기억 소자는 스위치(1203) 및 스위치(1204)에 의하여 프리차지 동작을 수행하기 때문에, 전원 전압의 공급이 재개된 후에 회로(1201)가 원래의 데이터를 다시 유지하기 위하여 요구되는 시간을 단축할 수 있다.
회로(1202)에서 커패시터(1208)에 의하여 유지된 신호는 트랜지스터(1210)의 게이트에 입력된다. 따라서, 기억 소자(1200)에 대한 전원 전압의 공급이 재개된 후, 커패시터(1208)에 의하여 유지되는 신호는 트랜지스터(1210)의 상태(도통 상태 또는 비도통 상태)에 대응하는 하나로 변환되어, 회로(1202)로부터 판독될 수 있다. 결과적으로, 커패시터(1208)에 의하여 유지되는 신호에 대응하는 전위가 어느 정도 변동할 때에도, 원래의 신호를 정확하게 판독할 수 있다.
프로세서에 포함된 레지스터 또는 캐시 메모리 등 기억 장치에 상술한 기억 소자(1200)를 적용함으로써, 전원 전압의 공급 정지 때문에 기억 장치 내의 데이터가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전원 전압의 공급이 재개된 직후, 기억 장치는 전원이 정지되기 이전의 상태와 동일한 상태로 복귀할 수 있다. 그러므로, 전원은 프로세서 또는 프로세서에 포함된 하나 또는 복수의 논리 회로에서 짧은 시간 동안에도 정지될 수 있어서, 결과로서 저소비전력을 초래한다.
기억 소자(1200)가 CPU에 사용되지만, 기억 소자(1200)는 디지털 신호 프로세서(DSP), 커스텀 LSI, 또는 프로그램 가능한 논리 장치(PLD) 등의 LSI, 및 전파 식별(RF-ID)에 사용될 수도 있다.
<표시 장치>
다음은 본 발명의 일 실시예의 표시 장치의 구성예를 나타낸 것이다.
[구성예]
도 30의 (A)는 본 발명의 일 실시예의 표시 장치의 상면도이다. 도 30의 (B)는 본 발명의 일 실시예의 표시 장치의 화소에 액정 소자가 사용되는 화소 회로를 도시한 것이다. 도 30의 (C)는 유기 EL 소자가 본 발명의 일 실시예의 표시 장치의 화소에 사용되는 화소 회로를 도시한 것이다.
상술한 트랜지스터 중 어느 것은 화소에 사용되는 트랜지스터로서 사용될 수 있다. 여기서, n-채널 트랜지스터가 사용되는 예를 나타낸다. 또한, 화소에 사용된 트랜지스터와 동일한 단계를 통하여 제작된 트랜지스터가 구동 회로에 사용되어도 좋다. 따라서, 화소 또는 구동 회로에 상술한 트랜지스터 중 어느 것을 사용함으로써, 표시 장치는 높은 표시 품질 및/또는 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
도 30의 (A)는 액티브 매트릭스 표시 장치의 예를 도시한 것이다. 화소부(5001), 제 1 주사선 구동 회로(5002), 제 2 주사선 구동 회로(5003), 및 신호선 구동 회로(5004)가 표시 장치의 기판(5000) 위에 제공된다. 화소부(5001)는 복수의 신호선을 통하여 신호선 구동 회로(5004)에 전기적으로 접속되고, 복수의 주사선을 통하여 제 1 주사선 구동 회로(5002) 및 제 2 주사선 구동 회로(5003)에 전기적으로 접속된다. 표시 소자를 포함하는 화소는 주사선 및 신호선에 의하여 분할되는 각 영역에 제공된다. 표시 장치의 기판(5000)은 가요성 인쇄 회로(FPC) 등의 접속 부분을 통하여 타이밍 제어 회로(제어기 또는 제어 IC라고도 함)에 전기적으로 접속된다.
제 1 주사선 구동 회로(5002), 제 2 주사선 구동 회로(5003), 및 신호선 구동 회로(5004)는 화소부(5001)가 형성되는 기판(5000) 위에 형성된다. 그러므로, 표시 장치는 구동 회로가 별도로 형성되는 경우보다 저비용으로 제작될 수 있다. 또한, 구동 회로가 별도로 형성되는 경우, 배선 접속 수가 증가된다. 기판(5000) 위에 구동 회로를 제공함으로써, 배선 접속 수는 저감될 수 있다. 따라서, 신뢰성 및/또는 수율을 향상시킬 수 있다.
[액정 표시 장치]
도 30의 (B)는 화소의 회로 구성의 예를 도시한 것이다. 여기서, VA 액정 표시 장치의 화소 등에 적용될 수 있는 화소 회로를 도시하였다.
화소 회로는 하나의 화소가 복수의 화소 전극을 포함하는 구조에 적용될 수 있다. 화소 전극은 상이한 트랜지스터에 접속되고, 트랜지스터는 상이한 게이트 신호로 구동될 수 있다. 따라서, 멀티 도메인 화소 내의 개별적인 화소 전극에 인가되는 신호는 독립적으로 제어될 수 있다.
트랜지스터(5016)의 주사선(5012) 및 트랜지스터(5017)의 주사선(5013)은, 상이한 게이트 신호가 공급될 수 있도록 분리된다. 한편, 신호선(5014)은 트랜지스터(5016 및 5017)에 의하여 공유된다. 상술한 트랜지스터 중 어느 것은 트랜지스터(5016 및 5017) 각각으로서 적절하게 사용될 수 있다. 따라서, 액정 표시 장치는 높은 표시 품질 및/또는 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
제 1 화소 전극은 트랜지스터(5016)에 전기적으로 접속되고 제 2 화소 전극은 트랜지스터(5017)에 전기적으로 접속된다. 제 1 화소 전극 및 제 2 화소 전극은 분리된다. 제 1 화소 전극 및 제 2 화소 전극의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 제 1 화소 전극은 V형을 가져도 좋다.
트랜지스터(5016)의 게이트 전극은 주사선(5012)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(5017)의 게이트 전극은 주사선(5013)에 전기적으로 접속된다. 주사선(5012) 및 주사선(5013)에 상이한 게이트 신호가 공급될 때, 트랜지스터(5016) 및 트랜지스터(5017)의 동작 타이밍이 달라질 수 있다. 결과적으로, 액정의 배향이 제어될 수 있다.
또한, 커패시터는 용량선(5010), 유전체로서 기능하는 게이트 절연체, 및 제 1 화소 전극 또는 제 2 화소 전극에 전기적으로 접속된 용량 전극을 사용하여 형성되어도 좋다.
멀티 도메인 화소는 하나의 화소에서 제 1 액정 소자(5018) 및 제 2 액정 소자(5019)를 포함한다. 제 1 액정 소자(5018)는 제 1 화소 전극, 대향 전극, 및 이들 사이의 액정층을 포함한다. 제 2 액정 소자(5019)는 제 2 화소 전극, 대향 전극, 및 이들 사이의 액정층을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 표시 장치의 화소 회로는 도 30의 (B)에 나타낸 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 스위치, 레지스터, 커패시터, 트랜지스터, 센서, 논리 회로 등이 도 30의 (B)에 나타낸 화소 회로에 추가되어도 좋다.
[유기 EL 표시 장치]
도 30의 (C)는 화소의 회로 구성의 다른 예를 도시한 것이다. 여기서, 유기 EL 소자를 사용한 표시 장치의 화소 구조를 나타낸다.
유기 EL 소자에서, 발광 소자에 전압을 인가함으로써, 발광 유기 화합물을 포함하는 층으로, 유기 EL 소자에 포함된 한 쌍의 전극 중 하나로부터 전자가 주입되고, 한 쌍의 전극 중 다른 하나로부터 정공이 주입되고; 따라서, 전류가 흐른다. 전자 및 정공이 재결합되고, 따라서, 발광 유기 화합물이 들뜨게 된다. 발광 유기 화합물은 들뜬 상태로부터 기저 상태로 되돌아감으로써, 발광된다. 이러한 기구 때문에, 이 발광 소자는 전류-여기 발광 소자라고 한다.
도 30의 (C)는 화소 회로의 예를 도시한 것이다. 여기서, 하나의 화소는 2개의 n-채널 트랜지스터를 포함한다. 또한, 상술한 트랜지스터 중 어느 것이 n-채널 트랜지스터로서 사용될 수 있다. 또한, 디지털 시간 계조 구동이 화소 회로에 채용될 수 있다.
적용 가능한 화소 회로의 구성 및 디지털 시간 계조 구동을 채용하는 화소의 동작에 대하여 설명한다.
화소(5020)는 스위칭 트랜지스터(5021), 구동 트랜지스터(5022), 발광 소자(5024), 및 커패시터(5023)를 포함한다. 스위칭 트랜지스터(5021)의 게이트 전극은 주사선(5026)에 접속되고, 스위칭 트랜지스터(5021)의 제 1 전극(소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽)은 신호선(5025)에 접속되고, 스위칭 트랜지스터(5021)의 제 2 전극(소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 쪽)은 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 전극에 접속된다. 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 전극은 커패시터(5023)를 통하여 전원선(5027)에 접속되고, 구동 트랜지스터(5022)의 제 1 전극은 전원선(5027)에 접속되고, 구동 트랜지스터(5022)의 제 2 전극은 발광 소자(5024)의 제 1 전극(화소 전극)에 접속된다. 발광 소자(5024)의 제 2 전극은 공통 전극(5028)에 대응한다. 공통 전극(5028)은 동일한 기판 위에 제공된 공통 전위선에 전기적으로 접속된다.
스위칭 트랜지스터(5021) 및 구동 트랜지스터(5022)의 각각으로서, 상술한 트랜지스터들 중 어느 것을 적절하게 사용할 수 있다. 이런 식으로, 높은 표시 품질 및/또는 높은 신뢰성을 갖는 유기 EL 표시 장치가 제공될 수 있다.
발광 소자(5024)의 제 2 전극(공통 전극(5028))의 전위는 낮은 전원 전위가 되도록 설정된다. 또한, 낮은 전원 전위는 전원선(5027)에 공급되는 높은 전원 전위보다 낮다. 예를 들어, 낮은 전원 전위는 GND, 0V 등이 될 수 있다. 높은 전원 전위 및 낮은 전원 전위는 발광 소자(5024)의 순방향 문턱 전압 이상으로 설정되고, 상기 전위들의 차이가 발광 소자(5024)에 인가되고, 이에 의하여 전류가 발광 소자(5024)에 공급되어, 발광하게 된다. 발광 소자(5024)의 순방향 전압이란 원하는 휘도가 얻어지는 전압을 말하고, 적어도 순방향 문턱 전압을 포함한다.
또한, 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 용량이 커패시터(5023) 대신에 사용될 수 있는 경우가 있어, 커패시터(5023)는 생략될 수 있다. 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 용량은 채널 형성 영역과 게이트 전극 사이에 형성되어도 좋다.
다음에, 구동 트랜지스터(5022)에 입력되는 신호에 대하여 설명한다. 전압-입력 전압 구동 방법의 경우, 구동 트랜지스터(5022)를 온 또는 오프시키기 위한 비디오 신호가 구동 트랜지스터(5022)에 입력된다. 구동 트랜지스터(5022)가 선형 영역에서 동작하기 위하여, 전원선(5027)의 전압보다 높은 전압이 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 전극에 인가된다. 또한, 전원선 전압과 구동 트랜지스터(5022)의 문턱 전압 Vth를 합한 전압 이상의 전압이 신호선(5025)에 인가된다.
아날로그 계조 구동을 수행하는 경우, 발광 소자(5024)의 순방향 전압과 구동 트랜지스터(5022)의 문턱 전압 Vth를 합한 전압 이상의 전압이 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 전극에 인가된다. 구동 트랜지스터(5022)를 포화 영역에서 동작시키는 비디오 신호가 입력되어, 전류가 발광 소자(5024)에 공급된다. 구동 트랜지스터(5022)가 포화 영역에서 동작하기 위하여, 전원선(5027)의 전위는 구동 트랜지스터(5022)의 게이트 전위보다 높게 설정된다. 아날로그 비디오 신호가 사용될 때, 비디오 신호에 따라 발광 소자(5024)에 전류를 공급하고, 아날로그 계조 구동을 수행하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 표시 장치에서, 화소 구성은 도 30의 (C)에 나타낸 것에 한정되지 않다. 예를 들어, 스위치, 레지스터, 커패시터, 센서, 트랜지스터, 논리 회로 등이 도 30의 (C)에 나타낸 화소 회로에 추가되어도 좋다.
상술한 트랜지스터 중 어느 것이 도 30의 (A)~(C)에 나타낸 회로에 사용되는 경우, 소스 전극(제 1 전극)은 저전위 측에 전기적으로 접속되고, 드레인 전극(제 2 전극)은 고전위 측에 전기적으로 접속된다. 또한, 제 1 게이트 전극의 전위는 제어 회로 등에 의하여 제어될 수 있고, 상기에서 예로서 설명한 전위, 예를 들어 소스 전극에 인가된 전위보다 낮은 전위가 제 2 게이트 전극에 입력될 수 있다.
<전자 장치>
본 발명의 일 실시예의 반도체 장치는 표시 장치, 퍼스널 컴퓨터, 또는 기록 매체가 제공된 화상 재생 장치(대표적으로, DVD(digital versatile disc)와 같은 기록 매체의 내용을 재생하고 재생된 화상을 표시하기 위한 디스플레이를 갖는 장치)에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 반도체 장치를 구비할 수 있는 전자 장치의 다른 예는, 휴대 전화, 휴대용 게임기를 포함하는 게임기, 휴대용 정보 단말, e-북 리더, 비디오 카메라 및 디지털 스틸 카메라 등의 카메라, 고글형 디스플레이(머리 장착형 디스플레이), 내비게이션 시스템, 오디오 재생 장치(예를 들어, 카 오디오 시스템 및 디지털 오디오 플레이어), 복사기, 팩시밀리, 프린터, 복합기, 현금 자동 입출금기(ATM), 및 자동 판매기이다. 도 31의 (A)~(F)는 이들 전자 장치의 구체적인 예를 도시한 것이다.
도 31의 (A)는 하우징(901), 하우징(902), 표시부(903), 표시부(904), 마이크로폰(905), 스피커(906), 조작 키(907), 스타일러스(908) 등을 포함하는 휴대용 게임기를 도시한 것이다. 도 31의 (A)의 휴대용 게임기는 2개의 표시부(903 및 904)를 갖지만, 휴대용 게임기에 포함된 표시부의 수는 이에 한정되지 않는다.
도 31의 (B)는 제 1 하우징(911), 제 2 하우징(912), 제 1 표시부(913), 제 2 표시부(914), 연결 부위(915), 조작 키(916) 등을 포함하는 휴대용 정보 단말을 도시한 것이다. 제 1 표시부(913)는 제 1 하우징(911)에 제공되고 제 2 표시부(914)는 제 2 하우징(912)에 제공된다. 제 1 하우징(911) 및 제 2 하우징(912)은 연결 부위(915)에 의하여 서로 접속되고, 제 1 하우징(911)과 제 2 하우징(912) 사이의 각도는 연결 부위(915)에 의하여 변경될 수 있다. 제 1 표시부(913)의 화상은 연결 부위(915)에서의 제 1 하우징(911)과 제 2 하우징(912) 사이의 각도에 따라 전환될 수 있다. 위치 입력 기능을 갖는 표시 장치가 제 1 표시부(913) 및 제 2 표시부(914) 중 적어도 하나로서 사용되어도 좋다. 또한, 표시 장치에 터치 패널을 제공함으로써 위치 입력 기능이 추가될 수 있다. 또는, 표시 장치의 화소부에서 광 센서라고 불리는 광전 변환 소자를 제공함으로써 위치 입력 기능이 추가될 수 있다.
도 31의 (C)는 하우징(921), 표시부(922), 키보드(923), 포인팅 디바이스(924) 등을 포함하는 노트북 퍼스널 컴퓨터를 도시한 것이다.
도 31의 (D)는 하우징(931), 냉장실용 도어(932), 냉동실용 도어(933) 등을 포함하는 전기 냉동냉장고를 도시한 것이다.
도 31의 (E)는 제 1 하우징(941), 제 2 하우징(942), 표시부(943), 조작 키(944), 렌즈(945), 연결 부위(946) 등을 포함하는 비디오 카메라를 도시한 것이다. 조작 키(944) 및 렌즈(945)는 제 1 하우징(941)에 제공되고, 표시부(943)는 제 2 하우징(942)에 제공된다. 제 1 하우징(941) 및 제 2 하우징(942)은 연결 부위(946)에 의하여 서로 접속되고, 제 1 하우징(941)과 제 2 하우징(942) 사이의 각도는 연결 부위(946)에 의하여 변경될 수 있다. 표시부(943)에 표시된 화상은 연결 부위(946)에서의 제 1 하우징(941)과 제 2 하우징(942) 사이의 각도에 따라 전환될 수 있다.
도 31의 (F)는 차체(951), 바퀴(952), 대시보드(953), 라이트(954) 등을 포함하는 자동차를 도시한 것이다.
400: 기판, 401: 절연체, 402: 절연체, 404: 도전체, 406: 반도체, 406a: 반도체, 406b: 반도체, 406c: 반도체, 408: 절연체, 410: 도전체, 412: 절연체, 414: 도전체, 416: 도전체, 416a: 도전체, 416b: 도전체, 436: 반도체, 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, 498a: 도전체, 498b: 도전체, 500: 기판, 501: 절연체, 502: 절연체, 504: 도전체, 506: 반도체, 508: 절연체, 510: 도전체, 512: 절연체, 516: 도전체, 516a: 도전체, 516b: 도전체, 536: 반도체, 600: 기판, 602: 절연체, 604: 도전체, 606: 반도체, 608: 절연체, 612: 절연체, 616: 도전체, 616a: 도전체, 616b: 도전체, 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: 연결 부위, 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: 연결 부위, 951: 차체, 952: 바퀴, 953: 대시보드, 954: 라이트, 1189: ROM 인터페이스, 1190: 기판, 1191: ALU, 1192: ALU 컨트롤러, 1193: 명령 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: 커패시터, 1208: 커패시터, 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: 커패시터, 5000: 기판, 5001: 화소부, 5002: 주사선 드라이버 회로, 5003: 주사선 드라이버 회로, 5004: 신호선 구동 회로, 5010: 용량선, 5012: 주사선, 5013: 주사선, 5014: 신호선, 5016: 트랜지스터, 5017: 트랜지스터, 5018: 액정 소자, 5019: 액정 소자, 5020: 화소, 5021: 스위칭 트랜지스터, 5022: 드라이버 트랜지스터, 5023: 커패시터, 5024: 발광 소자, 5025: 신호선, 5026: 주사선, 5027: 전원선, 5028: 공통 전극, 5100: 펠릿, 5120: 기판, 및 5161: 영역.
본 출원은 2014년 05월 27일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2014-108709의 일본 특허 출원에 기초하고, 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합된다.

Claims (14)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    절연체;
    제 1 도전체;
    제 2 도전체;
    제 3 도전체; 및
    섬 형상인 반도체를 포함하고,
    상기 제 1 도전체는 상기 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 1 도전체는 상기 반도체의 어느 측면에 접촉되는 영역을 포함하지 않고,
    상기 제 2 도전체는 상기 반도체의 상기 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 2 도전체는 상기 반도체의 어느 측면에 접촉되는 영역을 포함하지 않고,
    상기 제 3 도전체는 상기 반도체 및 상기 제 3 도전체가 상기 절연체를 개재하여 서로 중첩되는 영역을 포함하고,
    상기 제 1 도전체는 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면을 포함하고,
    상기 제 2 도전체는 제 4 측면을 포함하고,
    상기 제 1 도전체 및 상기 제 2 도전체는 상기 제 1 측면 및 상기 제 4 측면이 대향하도록 위치하고,
    상기 제 1 도전체는 상기 제 1 측면과 상기 제 2 측면 사이의 제 1 모서리부 및 상기 제 2 측면과 상기 제 3 측면 사이의 제 2 모서리부를 포함하고,
    상기 제 1 모서리부는 상기 제 2 모서리부보다 작은 곡률 반경을 갖는 부분을 포함하는, 반도체 장치.
  2. 반도체 장치에 있어서,
    제 1 절연체;
    제 2 절연체;
    제 1 도전체;
    제 2 도전체;
    제 3 도전체;
    제 4 도전체; 및
    반도체를 포함하고,
    상기 반도체는 상기 제 1 절연체의 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 1 도전체는 상기 반도체의 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 2 도전체는 상기 반도체의 상기 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 2 절연체는 상기 반도체의 상기 상면에 접촉되는 영역을 포함하고,
    상기 제 3 도전체는 상기 반도체 및 상기 제 3 도전체가 상기 제 2 절연체를 개재하여 서로 중첩되는 영역을 포함하고,
    상기 제 4 도전체에 도달하는 개구는 상기 반도체 및 상기 제 1 절연체에 제공되고,
    상기 제 1 도전체는 상기 개구를 통하여 상기 제 4 도전체에 접촉되는 영역을 포함하는, 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는, 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체는 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하는 산화물이고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나인, 반도체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체는 제 1 반도체 및 제 2 반도체를 포함하고,
    상기 제 1 반도체는 상기 제 2 반도체보다 전자 친화력이 높은, 반도체 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는, 반도체 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체는 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하는 산화물이고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나인, 반도체 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체는 제 1 반도체 및 제 2 반도체를 포함하고,
    상기 제 1 반도체는 상기 제 2 반도체보다 전자 친화력이 높은, 반도체 장치.
  9. 반도체 장치의 제작 방법에 있어서,
    제 1 반도체를 퇴적하는 단계;
    상기 제 1 반도체 위에 제 1 도전체를 퇴적하는 단계;
    상기 제 1 도전체의 일부를 에칭함으로써 제 2 도전체를 형성하고 상기 제 1 반도체의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 제 2 도전체의 일부 및 상기 제 1 반도체의 상기 노출된 일부의 부분 위에 레지스트를 형성하는 단계;
    상기 레지스트를 마스크로서 사용하여 상기 제 2 도전체를 에칭함으로써 제 3 도전체 및 제 4 도전체를 형성하는 단계; 및
    상기 레지스트, 상기 제 3 도전체, 및 상기 제 4 도전체를 마스크로서 사용하여 상기 제 1 반도체를 에칭함으로써 제 2 반도체를 형성하는 단계를 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.
  11. 반도체 장치의 제작 방법에 있어서,
    제 1 반도체를 퇴적하는 단계;
    상기 제 1 반도체의 일부를 에칭함으로써 제 2 반도체를 형성하는 단계;
    상기 제 2 반도체 위에 제 1 도전체를 퇴적하는 단계;
    상기 제 1 도전체의 일부를 에칭함으로써 제 2 도전체를 형성하고 상기 제 2 반도체의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 제 2 도전체의 일부 및 상기 제 2 반도체의 상기 노출된 일부 위에 레지스트를 형성하는 단계;
    상기 레지스트를 마스크로서 사용하여 상기 제 2 도전체를 에칭함으로써 제 3 도전체 및 제 4 도전체를 형성하는 단계; 및
    상기 레지스트, 상기 제 3 도전체, 및 상기 제 4 도전체를 마스크로서 사용하여 상기 제 2 반도체를 에칭함으로써 제 3 반도체를 형성하는 단계를 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 3 반도체는 짧은 측 방향의 길이가 5nm 이상 300nm 이하인 영역을 포함하는, 반도체 장치의 제작 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체는 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하는 산화물이고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나인, 반도체 장치의 제작 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체는 인듐, 원소 M, 및 아연을 포함하는 산화물이고,
    상기 원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 및 주석 중 하나인, 반도체 장치의 제작 방법.
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