KR20210093934A - 이차 전지의 이상 검출 장치 및 반도체 장치 - Google Patents
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Abstract
이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있는 반도체 장치를 제공한다. 반도체 장치는 제 1 소스 폴로어와, 제 2 소스 폴로어와, 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터를 갖는다. 반도체 장치에는 이차 전지의 음극 전위 및 양극 전위가 공급되고, 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력된다. 트랜지스터의 게이트에는 트랜지스터의 도통 상태를 제어하는 신호가 입력되고, 이차 전지의 양극 음극 간 전위에 관련된 제 1 소스 폴로어의 출력 전위를 샘플링한다. 콤퍼레이터는 샘플링된 전위와 제 2 소스 폴로어의 출력 전위를 비교함으로써, 충방전에 의하여 양극 음극 간 전위가 변동되는 이차 전지에도 대응할 수 있다.
Description
본 발명의 일 형태는 이차 전지의 이상 검출 장치에 관한 것이다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 이상 검출 장치는 반도체 장치이고, 특히 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하는 기능을 갖는다.
본 명세서 등에서 반도체 장치란 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 가리킨다. 예를 들어 트랜지스터, 반도체 회로, 집적 회로, 집적 회로를 갖는 칩이나, 패키지에 칩이 수납된 전자 부품, 집적 회로를 갖는 전자 기기는 반도체 장치의 일례이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시하는 발명의 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다.
근년, 작고 가벼운 이차 전지(에너지 밀도가 높은 이차 전지)의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지 중에서도 고출력이고 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지는 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿, 노트북형 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 전기 자동차(EV) 등의 클린 에너지 자동차, 또는 디지털 카메라, 휴대 음악 플레이어, 의료 기기 등에 널리 사용되고, 에너지 공급원으로서 현대 사회에 있어 필요 불가결한 것이 되었다.
또한 이차 전지에는 전지의 보호 및 제어를 수행하는 장치, 전지의 이상을 검출하는 장치(이상 검출 장치) 등이 제공되는 경우가 있다. 이상 검출 장치는 전지의 전압이나 전류 등의 데이터를 취득하고, 과충전, 과방전, 과전류, 또는 단락 등의 이상을 검출하면 이상 검출 신호를 출력하고, 충방전을 정지하는 등의 처리를 수행한다.
특허문헌 1에서는 전지의 보호 회로로서 기능하는 보호 IC에 대하여 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 보호 IC는 내부에 복수의 콤퍼레이터(비교기)가 제공되고, 참조 전압과, 전지가 접속된 단자의 전압을 비교하여 충방전 시의 이상을 검출하는 구성을 갖는다. 또한 특허문헌 2에서는 이차 전지의 미소 단락(마이크로 단락)을 검출하는 전지 상태 검출 장치 및 이를 내장하는 전지 팩에 대하여 개시되어 있다.
한편, 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터(산화물 반도체 트랜지스터, OS 트랜지스터라고도 함)가 주목을 받고 있다. OS 트랜지스터로서 n채널형 트랜지스터가 실용화되고 있으며, 오프 전류가 매우 낮고, 소스와 드레인 사이에 높은 전압을 인가할 수 있고(내압이 높다고도 함), 박막 트랜지스터이므로 적층하여 제공할 수 있다는 등의 특징을 갖는다. 또한 OS 트랜지스터는 고온 환경하에서도 오프 전류가 증가되기 어렵고, 고온 환경하에서도 온 전류와 오프 전류의 비가 크다는 특징을 갖기 때문에, OS 트랜지스터를 사용하여 구성된 반도체 장치는 신뢰성이 높다.
예를 들어 특허문헌 3에서는 구동 회로나 제어 회로 등의 주변 회로가 형성된 반도체 기판 위에 OS 트랜지스터를 사용한 복수의 메모리 셀을 갖는 반도체 장치, 및 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 메모리 셀에 OS 트랜지스터를 사용한 예가 개시되어 있다. 예를 들어 단결정 실리콘 기판에 형성된 Si 트랜지스터를 사용하여 주변 회로를 구성하고, 그 위쪽에 OS 트랜지스터를 사용한 메모리 셀을 적층하여 제공할 수 있다. OS 트랜지스터를 사용한 메모리 셀을 주변 회로가 형성된 단결정 실리콘 기판 위에 제공함으로써, 칩 면적을 축소할 수 있고, OS 트랜지스터의 오프 전류가 매우 낮기 때문에 저장된 데이터를 장시간 유지할 수 있다는 특징을 갖는다.
또한 산화물 반도체(Oxide Semiconductor라고도 함)로서, 예를 들어 산화 인듐, 산화 아연 등의 단성분계 금속의 산화물뿐만 아니라, 다성분계 금속의 산화물도 알려져 있다. 다성분계 금속의 산화물 중에서도, 특히 In-Ga-Zn 산화물(IGZO라고도 함)에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
IGZO에 관한 연구에 의하여, 산화물 반도체에서 단결정도 비정질도 아닌 CAAC(c-axis aligned crystalline) 구조 및 nc(nanocrystalline) 구조가 발견되었다(비특허문헌 1 내지 비특허문헌 3 참조).
비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에서는, CAAC 구조를 갖는 산화물 반도체를 사용하여 트랜지스터를 제작하는 기술이 개시되어 있다. 또한 CAAC 구조 및 nc 구조보다 결정성이 낮은 산화물 반도체이어도 미소한 결정을 갖는다는 것이 비특허문헌 4 및 비특허문헌 5에 개시되어 있다.
비특허문헌 6에서는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 오프 전류가 매우 낮다는 것이 보고되어 있고, 비특허문헌 7 및 비특허문헌 8에서는 오프 전류가 매우 낮은 성질을 이용한 LSI(Large Scale Integration) 및 디스플레이가 보고되어 있다.
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마이크로 단락이란 이차 전지 내부에서의 미소한 단락을 의미한다. 마이크로 단락은 이차 전지의 양극과 음극의 단락으로 인하여 충방전을 할 수 없게 될 정도는 아니지만, 미소한 단락 부분에서 단락 전류가 단기간 흐르는 현상이다.
마이크로 단락의 원인은, 충방전이 복수 회 수행됨으로써, 리튬이나 코발트 등의 금속 원소가 전지 내부에서 석출되고, 석출물이 성장됨으로써 양극의 일부와 음극의 일부에서 국소적인 전류의 집중이 발생하여, 세퍼레이터에서 기능을 정지하는 부분이 발생하는 것 또는 부반응물이 발생하는 것에 있다고 추정되어 있다.
또한 마이크로 단락이 반복되면, 이차 전지의 이상 발열, 발화, 또는 폭발 등의 중대 사고를 일으킬 가능성이 있기 때문에, 마이크로 단락을 초기 발견하는 것이 바람직하고, 또한 중대 사고의 위험 요인을 저감하기 위한 전지의 제어가 요구되고 있다.
그러나 마이크로 단락은 순간적이며, 이차 전지의 양극과 음극 사이의 전위(양극 음극 간 전위)의 변동도 작은 경우가 많기 때문에 검출하기 어렵다. 또한 예를 들어 리튬 이온 전지에서는, 충방전에 의하여 양극 음극 간 전위가 변동되기 때문에, 마이크로 단락이 발생되기 전의 양극 음극 간 전위를 참조할 메커니즘이 필요하다.
본 발명의 일 형태는 이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 충방전에 기인한 양극 음극 간 전위의 변동에 대응하고, 이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 과제 모두를 반드시 해결할 필요는 없고, 적어도 하나의 과제를 해결할 수 있으면 좋다. 또한 상기 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 이들 외의 과제는 명세서, 청구범위, 도면 등의 기재에서 저절로 명백해지는 것이며, 명세서, 청구범위, 도면 등의 개제에서 이들 외의 과제를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 형태는 제 1 소스 폴로어와, 제 2 소스 폴로어와, 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터를 갖는 반도체 장치이다. 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고, 제 1 소스 폴로어의 출력은 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력된다. 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 2 소스 폴로어의 출력은 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력된다.
또한 본 발명의 일 형태는 제 1 소스 폴로어와, 제 2 소스 폴로어와, 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터를 갖는 반도체 장치이다. 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고, 제 1 전위는 제 2 전위보다 높은 전위이고, 제 1 소스 폴로어의 출력은 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력된다. 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 2 소스 폴로어의 출력은 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력된다.
또한 본 발명의 일 형태는 제 1 소스 폴로어와, 제 2 소스 폴로어와, 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터를 갖는 반도체 장치이다. 반도체 장치에는 이차 전지의 음극 전위 및 이차 전지의 양극 전위가 공급되고, 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고, 제 1 전위는 제 2 전위보다 높은 전위이고, 제 2 전위는 음극 전위보다 높은 전위이다. 제 1 소스 폴로어의 출력은 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력되고, 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 2 소스 폴로어의 출력은 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력된다.
또한 상기 형태에서, 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함한다.
또한 상기 형태에서, 트랜지스터, 제 1 소스 폴로어를 구성하는 트랜지스터, 제 2 소스 폴로어를 구성하는 트랜지스터, 및 콤퍼레이터를 구성하는 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함한다.
또한 본 발명의 일 형태는 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터와, 제 1 배선 및 제 2 배선을 갖는 반도체 장치이다. 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 2 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고, 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 4 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속된다.
또한 본 발명의 일 형태는 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터와, 제 1 배선 및 제 2 배선을 갖는 반도체 장치이다. 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 2 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고, 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 4 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 1 전위는 제 2 전위보다 높은 전위이다.
또한 본 발명의 일 형태는 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와, 용량 소자와, 콤퍼레이터와, 제 1 배선 및 제 2 배선을 갖는 반도체 장치이다. 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 2 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 배선에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고, 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 제 4 트랜지스터의 게이트는 제 2 배선에 전기적으로 접속된다. 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 1 배선에는 이차 전지의 음극 전위가 공급되고, 제 2 배선에는 이차 전지의 양극 전위가 공급되고, 제 1 전위는 제 2 전위보다 높은 전위이고, 제 2 전위는 음극 전위보다 높은 전위이다.
또한 상기 형태에서, 제 5 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함한다.
또한 상기 형태에서, 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터, 콤퍼레이터를 구성하는 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함한다.
본 발명의 일 형태에 의하여 이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있는 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는 본 발명의 일 형태에 의하여 충방전에 기인한 양극 음극 간 전위의 변동에 대응하고, 이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
또한 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 효과 모두를 반드시 가질 필요는 없다. 이들 외의 효과는 명세서, 청구범위, 도면 등의 기재에서 저절로 명백해지는 것이며, 명세서, 청구범위, 도면 등의 개제에서 이들 외의 효과를 추출할 수 있다.
도 1의 (A)는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 회로도이다. 도 1의 (B)는 콤퍼레이터의 기호를 나타낸 도면이다. 도 1의 (C)는 콤퍼레이터의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)는 증폭기의 기호를 나타낸 도면이다. 도 2의 (B), (C)는 증폭기의 구성예를 나타낸 회로도이다.
도 3의 (A), (B), (C), (D), (E)는 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 4는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 5의 (A), (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 6의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 6의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 7의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 7의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 8의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 8의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 9의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 9의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 10의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 10의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 11의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 11의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 12의 (A)는 오실로스코프를 사용하여 측정한 회로를 나타낸 도면이다. 도 12의 (B)는 오실로스코프를 사용하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)는 증폭기의 기호를 나타낸 도면이다. 도 2의 (B), (C)는 증폭기의 구성예를 나타낸 회로도이다.
도 3의 (A), (B), (C), (D), (E)는 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 4는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 단면도이다.
도 5의 (A), (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 6의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 6의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 7의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 7의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 8의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 8의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 9의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 9의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 10의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 10의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 11의 (A)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 상면도이다. 도 11의 (B), (C)는 트랜지스터의 구조예를 나타낸 단면도이다.
도 12의 (A)는 오실로스코프를 사용하여 측정한 회로를 나타낸 도면이다. 도 12의 (B)는 오실로스코프를 사용하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한 이하에 기재되는 복수의 실시형태는 적절히 조합할 수 있다. 또한 하나의 실시형태에 복수의 구성예가 기재되는 경우에는, 구성예를 서로 적절히 조합할 수 있다.
또한 본 명세서에 첨부된 도면에서는 구성 요소를 기능마다 분류하여 서로 독립된 블록으로서 블록도를 도시하였지만, 실제의 구성 요소들을 기능마다 완전히 나누는 것은 어려우며 하나의 구성 요소가 복수의 기능에 관련될 수도 있다.
또한 도면 등에서 크기, 층의 두께, 영역 등은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서 반드시 그 스케일에 한정되지는 않는다. 도면은 이상적인 예를 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타낸 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다.
또한 도면 등에서 동일한 요소 또는 같은 기능을 갖는 요소, 동일한 재질의 요소, 혹은 동시에 형성되는 요소 등에는 동일한 부호를 붙이는 경우가 있고, 이의 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "막"이라는 용어와 "층"이라는 용어는 서로 바꿀 수 있다. 예를 들어 "도전층"이라는 용어를 "도전막"이라는 용어로 바꿀 수 있는 경우가 있다. 또는 예를 들어 "절연막"이라는 용어를 "절연층"이라는 용어로 바꿀 수 있는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "위"나 "아래" 등 배치를 나타내는 용어는, 구성 요소의 위치 관계가 "바로 위" 또는 "바로 아래"인 것을 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 "게이트 절연층 위의 게이트 전극"이라는 표현은, 게이트 절연층과 게이트 전극 사이에 다른 구성 요소가 포함되는 것을 제외하지 않는다.
또한 본 명세서 등에서 "제 1", "제 2", "제 3" 등의 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이고, 수적으로 한정하는 것이 아니다.
또한 본 명세서 등에서 "전기적으로 접속"에는 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"을 통하여 접속되는 경우가 포함된다. 여기서 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"은 접속 대상 간에서의 전기 신호의 주고받음을 가능하게 하는 것이면 특별한 제한을 받지 않는다. 예를 들어 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"에는 전극이나 배선을 비롯하여 트랜지스터 등의 스위칭 소자, 저항 소자, 인덕터, 용량 소자, 이들 외 각종 기능을 갖는 소자 등이 포함된다.
또한 본 명세서 등에서 "전압"이란, 어떤 전위와 기준의 전위(예를 들어 그라운드 전위)의 전위차를 말하는 경우가 많다. 따라서 전압과 전위차는 바꿔 말할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 트랜지스터란 게이트와 드레인과 소스를 포함하는 적어도 3개의 단자를 갖는 소자이다. 그리고 드레인(드레인 단자, 드레인 영역, 또는 드레인 전극)과 소스(소스 단자, 소스 영역, 또는 소스 전극) 사이에 채널 형성 영역을 갖고, 채널 형성 영역을 통하여 소스와 드레인 사이에 전류를 흐르게 할 수 있는 것이다. 또한 본 명세서 등에서 채널 형성 영역이란 전류가 주로 흐르는 영역을 말한다.
또한 소스나 드레인의 기능은 상이한 극성의 트랜지스터를 채용하는 경우나, 회로 동작에서 전류의 방향이 변화되는 경우 등에는 서로 바뀌는 경우가 있다. 그러므로 본 명세서 등에서는 소스나 드레인이라는 용어는 서로 바꿔 사용할 수 있는 것으로 한다.
또한 본 명세서 등에서는 특별히 언급이 없는 경우, 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태(비도통 상태, 차단 상태라고도 함)일 때의 드레인 전류를 말한다. 오프 상태란, 특별히 언급이 없는 경우, n채널형 트랜지스터에서는 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압(Vth)보다 낮은 상태를, p채널형 트랜지스터에서는 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압(Vth)보다 높은 상태를 말한다. 즉, n채널형 트랜지스터의 오프 전류란, 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압(Vth)보다 낮을 때의 드레인 전류를 말하는 경우가 있다.
상기 오프 전류의 설명에서 드레인을 소스로 바꿔 읽어도 좋다. 즉, 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태일 때의 소스 전류를 말하는 경우가 있다. 또한 오프 전류와 같은 의미로 누설 전류라고 하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태일 때에 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 말하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 금속 산화물(metal oxide)이란, 넓은 의미로의 금속의 산화물이다. 금속 산화물은 산화물 절연체, 산화물 도전체(투명 산화물 도전체를 포함함), 산화물 반도체 등으로 분류된다.
예를 들어 트랜지스터의 채널 형성 영역에 금속 산화물을 사용한 경우, 상기 금속 산화물을 산화물 반도체라고 부르는 경우가 있다. 즉, 금속 산화물이 증폭 작용, 정류 작용, 및 스위칭 작용 중 적어도 하나를 갖는 경우, 상기 금속 산화물을 금속 산화물 반도체(metal oxide semiconductor)라고 부를 수 있다. 즉, 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터를 "산화물 반도체 트랜지스터", "OS 트랜지스터"라고 부를 수 있다. 마찬가지로, 상술한 "산화물 반도체를 사용한 트랜지스터"도 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터이다.
또한 본 명세서 등에서 질소를 포함하는 금속 산화물도 금속 산화물(metal oxide)이라고 부르는 경우가 있다. 또한 질소를 포함하는 금속 산화물을 금속 산질화물(metal oxynitride)이라고 불러도 좋다. 금속 산화물의 자세한 사항에 대해서는 나중에 설명한다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치의 구성예에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 충방전 중의 이차 전지에서 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 소정의 시간마다 샘플링(취득)하고, 샘플링한 전위와, 샘플링 후의 양극 음극 간 전위를 비교함으로써, 마이크로 단락으로 인한 순간적인 전위 변동(여기서는 전위 강하)을 검출하는 기능을 갖는다. 소정의 시간마다의 샘플링을 반복함으로써, 상기 반도체 장치는 충방전 중의 이차 전지의 전위 변동에 대응할 수 있고, 또한 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 사용하여 동작될 수 있다.
또한 본 실시형태에서는, 이차 전지가 충전 중인 경우의 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동에 대하여, 타이밍 차트 등을 사용하여 설명한다. 방전 중의 전위 변동에 대해서는, 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있기 때문에, 그 설명은 생략한다.
<반도체 장치의 구성예>
도 1의 (A)는 반도체 장치(100)의 구성예를 나타낸 회로도이다. 반도체 장치(100)는 트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15), 용량 소자(C11), 및 콤퍼레이터(50)를 갖는다. 또한 본 명세서 등에서 설명하는 도면에서는, 주된 신호의 흐름을 화살표 또는 선으로 나타내고, 전원선 등은 생략하는 경우가 있다.
반도체 장치(100)는 이차 전지(도시하지 않았음)의 음극 전위(VBM)가 공급되는 배선(VBM_IN), 이차 전지의 양극 전위(VBP)가 공급되는 배선(VBP_IN), 소정의 전위(VB1)가 공급되는 배선(VB1_IN), 소정의 전위(VB2)가 공급되는 배선(VB2_IN), 샘플링 신호(SH)가 공급되는 배선(SH_IN), 및 출력 단자(S_OUT)를 갖는다.
여기서, 소정의 전위(VB1)는 소정의 전위(VB2)보다 높은 전위이고, 소정의 전위(VB2)는 음극 전위(VBM)보다 높은 전위이다. 또한 반도체 장치(100)에서, 양극 전위(VBP)는 고전원 전위이고, 음극 전위(VBM)는 저전원 전위이고, 음극 전위(VBM)는 기준의 전위라고 불러도 좋다.
트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15)는 n채널형 트랜지스터이다. 본 명세서 등에서는 반도체 장치(100)를 n채널형 트랜지스터를 사용하여 구성한 예에 대하여 설명하지만, p채널형 트랜지스터를 사용하여도 좋다. n채널형 트랜지스터를 사용하여 구성한 회로도에서 트랜지스터가 p채널형으로 변경된다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있기 때문에, 그 설명은 생략한다.
반도체 장치(100)에서, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(11)의 게이트는 배선(VB1_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(12)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 콤퍼레이터(50)의 반전 입력 단자(도 1의 (A)에서는 "-"라고 표기함)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(13)의 게이트는 배선(VB2_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(14)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속된다.
또한 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(C11)의 한쪽 단자 및 콤퍼레이터(50)의 비반전 입력 단자(도 1의 (A)에서는 "+"라고 표기함)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(15)의 게이트는 배선(SH_IN)에 전기적으로 접속되고, 용량 소자(C11)의 다른 쪽 단자는 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터(50)의 출력 단자는 출력 단자(S_OUT)에 전기적으로 접속된다. 또한 용량 소자(C11)의 다른 쪽 단자는 소정의 전위가 공급되는 배선이면, 배선(VBM_IN) 이외의 배선에 전기적으로 접속되어도 좋다.
여기서, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N11)라고 부르고, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 콤퍼레이터(50)의 반전 입력 단자가 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N12)라고 부르고, 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 용량 소자(C11)의 한쪽 단자, 그리고 콤퍼레이터(50)의 비반전 입력 단자가 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N13)라고 부른다.
또한 트랜지스터(11) 및 트랜지스터(12)는 제 1 소스 폴로어를 구성하고, 트랜지스터(13) 및 트랜지스터(14)는 제 2 소스 폴로어를 구성한다. 즉, 트랜지스터(11)의 게이트는 제 1 소스 폴로어의 입력에 상당하고, 제 1 소스 폴로어는 노드(N11)에 전위를 출력한다. 트랜지스터(13)의 게이트는 제 2 소스 폴로어의 입력에 상당하고, 제 2 소스 폴로어는 노드(N12)에 전위를 출력한다.
<콤퍼레이터의 구성예>
다음으로, 콤퍼레이터(50)의 구성예에 대하여 설명한다. 콤퍼레이터(50)는 비반전 입력 단자, 반전 입력 단자, 및 출력 단자를 갖는다. 콤퍼레이터(50)는 비반전 입력 단자와 반전 입력 단자에 입력된 전위차를 증폭하는 기능을 갖는다. 콤퍼레이터(50)는, 비반전 입력 단자에 입력된 전위가 반전 입력 단자에 입력된 전위보다 높은 경우, 고전원 전위 방향으로 증폭하여 출력하고, 비반전 입력 단자에 입력된 전위가 반전 입력 단자에 입력된 전위보다 낮은 경우, 저전원 전위 방향으로 증폭하여 출력한다.
도 1의 (B)에 콤퍼레이터(50)의 기호를 나타내었다. 여기서, 도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이, 콤퍼레이터(50)의 비반전 입력 단자를 입력 단자(CP0_IN)라고 부르고, 반전 입력 단자를 입력 단자(CM0_IN)라고 부르고, 출력 단자를 출력 단자(CP0_OUT)라고 부른다.
콤퍼레이터(50)는 하나 또는 직렬로 접속된 복수의 증폭기(51)를 갖는다. 콤퍼레이터(50)가 복수의 증폭기(51)를 갖는 구성예를 도 1의 (C)에 나타내었다.
증폭기(51)는 비반전 입력 단자, 반전 입력 단자, 비반전 출력 단자, 및 반전 출력 단자를 갖는다. 도 2의 (A)에 증폭기(51)의 기호를 나타내었다. 여기서, 도 2의 (A)에 나타낸 바와 같이, 증폭기(51)의 비반전 입력 단자를 입력 단자(CP1_IN)라고 부르고, 반전 입력 단자를 입력 단자(CM1_IN)라고 부르고, 비반전 출력 단자를 출력 단자(CP1_OUT)라고 부르고, 반전 출력 단자를 출력 단자(CM1_OUT)라고 부른다.
도 1의 (C)에서는, 입력 단자(CP0_IN)가 첫 번째 증폭기(51)의 입력 단자(CP1_IN)(도 2의 (A) 참조)에 전기적으로 접속되고, 입력 단자(CM0_IN)가 첫 번째 증폭기(51)의 입력 단자(CM1_IN)에 전기적으로 접속되고, 첫 번째 증폭기(51)의 출력 단자(CP1_OUT)가 두 번째 증폭기(51)의 입력 단자(CP1_IN)에 전기적으로 접속되고, 첫 번째 증폭기(51)의 출력 단자(CM1_OUT)가 두 번째 증폭기(51)의 입력 단자(CM1_IN)에 전기적으로 접속되어 있다.
그리고 복수의 증폭기(51) 중 마지막의 증폭기(51)의 출력 단자(CP1_OUT)는 출력 단자(CP0_OUT)에 전기적으로 접속된다. 증폭기(51)의 개수는 콤퍼레이터(50)에 필요한 증폭률과, 하나의 증폭기(51)의 증폭률을 비교함으로써 결정할 수 있다.
도 2의 (B)는 n채널형 트랜지스터를 사용하여 증폭기(51)를 구성한 예를 나타낸 회로도이다. 증폭기(51)는 트랜지스터(21) 내지 트랜지스터(25)를 갖는다. 트랜지스터(21) 내지 트랜지스터(25)는 n채널형 트랜지스터이다.
또한 증폭기(51)는 이차 전지의 음극 전위(VBM)가 공급되는 배선(VBM_IN), 이차 전지의 양극 전위(VBP)가 공급되는 배선(VBP_IN), 소정의 전위(VB3)가 공급되는 배선(VB3_IN), 입력 단자(CP1_IN), 입력 단자(CM1_IN), 출력 단자(CP1_OUT), 및 출력 단자(CM1_OUT)를 갖는다.
여기서, 소정의 전위(VB3)는 음극 전위(VBM)보다 높은 전위이고, 또한 증폭기(51)에서 양극 전위(VBP)는 고전원 전위이고, 음극 전위(VBM)는 저전원 전위이다.
증폭기(51)에서, 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 게이트는 배선(VB3_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(23)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CM1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(23)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(23)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(22)의 게이트는 입력 단자(CP1_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(25)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CP1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(25)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(25)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(24)의 게이트는 입력 단자(CM1_IN)에 전기적으로 접속된다.
또한 증폭기(51)는 n채널형 트랜지스터와 저항 소자를 갖는 구성이어도 좋다. 도 2의 (C)는, 도 2의 (B)와는 다른 증폭기(51)의 구성예를 나타낸 회로도이다.
도 2의 (C)에 나타낸 증폭기(51)는 저항 소자(R11), 저항 소자(R12), 트랜지스터(21), 트랜지스터(22), 트랜지스터(24), 및 트랜지스터(26) 내지 트랜지스터(29)를 갖는다. 트랜지스터(21), 트랜지스터(22), 트랜지스터(24), 및 트랜지스터(26) 내지 트랜지스터(29)는 n채널형 트랜지스터이다.
도 2의 (C)에 나타낸 증폭기(51)에서, 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 게이트는 배선(VB3_IN), 트랜지스터(26)의 게이트, 및 트랜지스터(28)의 게이트에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 저항 소자(R11)의 한쪽 단자 및 트랜지스터(29)의 게이트에 전기적으로 접속되고, 저항 소자(R11)의 다른 쪽 단자는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(22)의 게이트는 입력 단자(CP1_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 저항 소자(R12)의 한쪽 단자 및 트랜지스터(27)의 게이트에 전기적으로 접속되고, 저항 소자(R12)의 다른 쪽 단자는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(24)의 게이트는 입력 단자(CM1_IN)에 전기적으로 접속된다.
또한 트랜지스터(26)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(26)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(27)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CP1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(27)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(28)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(28)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(29)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CM1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(29)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속된다.
<반도체 장치의 동작예>
도 3의 (A) 내지 (E)는 이차 전지가 충전 중인 경우의 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 3의 (A) 내지 (E) 각각에서 세로축은 전위를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 또한 도 3의 (A) 내지 (E)에서 가로축은 공통(같은 위치에서 같은 시간을 나타냄)된다. 또한 같은 배선, 같은 단자, 또는 같은 노드의 전위를 참조를 위하여 복수의 도면에 나타낸 경우가 있다.
도 3의 (A) 내지 (E)에서는, 이차 전지가 충전 중인 경우의 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동을 기간 D11 내지 기간 D13으로 나누어서 나타내었다. 기간 D11에 이차 전지의 충전이 시작되고, 배선, 단자, 또는 노드의 전위가 소정의 전위로 설정된다. 또한 소정의 시간마다 이차 전지의 양극 음극 간 전위(정확히는 양극 음극 간 전위에 관련된 전위)가 샘플링된다. 기간 D12에 마이크로 단락이 발생되고, 기간 D13은 마이크로 단락 후의 충전 기간이다.
또한 이차 전지로서는 충방전에 의하여 양극 음극 간 전위가 변동되는 이차 전지를 상정하지만, 충방전에 의하여 양극 음극 간 전위가 변동되지 않는(또는 변동이 적은) 이차 전지에도 적용할 수 있다. 충방전에 의하여 양극 음극 간 전위가 변동되는 이차 전지로서는 예를 들어 리튬 이온 전지가 있고, 특히 정전류 충전을 수행할 때의 리튬 이온 전지를 들 수 있다.
도 3의 (A)에서는, 기간 D11에 충전이 시작되어, 이차 전지의 양극 전위(VBP)가 초기 전위(VD1)로부터 상승되어 있다. 이에 의하여, 이차 전지의 음극 전위(VBM)에 대한 양극 전위(VBP)(양극 음극 간 전위)가 높아진다. 기간 D12에 마이크로 단락이 발생되고, 양극 전위(VBP)는 순간적으로 강하된다. 마이크로 단락이 종료되면, 양극 전위(VBP)는 기간 D11과 마찬가지로 상승된다.
도 3의 (B)에서는 소정의 전위(VB1), 소정의 전위(VB2), 및 샘플링 신호(SH)의 상태를 나타내었다. 기간 D11에 충전이 시작되면, 전위(VB1) 및 전위(VB2)가 인가되고, 샘플링 신호(SH)는 소정의 시간마다 하이 레벨이 된다. 여기서, 샘플링 신호(SH)의 하이 레벨은 양극 전위(VBP)를 사용하여 나타내어지고, 샘플링 신호(SH)의 로 레벨은 음극 전위(VBM)를 사용하여 나타내어진다. 또한 샘플링 신호(SH)는 시각 T11 내지 시각 T14에 하이 레벨이 된다.
도 3의 (C)에서는 노드(N11) 및 노드(N12)의 상태를 나타내었다. 기간 D11에 전위(VB1) 및 전위(VB2)가 인가되면, 노드(N11) 및 노드(N12)의 전위가 결정된다. 전위(VB1)는 전위(VB2)보다 높은 전위이기 때문에, 노드(N11)의 전위는 노드(N12)의 전위보다 낮고, 양극 전위(VBP)가 상승됨에 따라 노드(N11) 및 노드(N12)의 전위도 상승된다. 또한 기간 D12에 마이크로 단락이 발생되고, 양극 전위(VBP)가 순간적으로 강하되면, 노드(N11) 및 노드(N12)의 전위도 순간적으로 강하된다.
도 3의 (D)에서는 노드(N12) 및 노드(N13)의 상태를 나타내었다. 샘플링 신호(SH)가 하이 레벨이 되면, 노드(N13)의 전위는 그 시각에서의 노드(N11)의 전위로 설정된다. 그러므로 노드(N13)의 전위는 노드(N12)의 전위보다 낮고, 계단상으로 상승된다. 또한 샘플링 신호(SH)가 로 레벨인 경우, 노드(N13)의 전위는 노드(N11)의 전위에 영향을 받지 않는다. 따라서 기간 D12에 마이크로 단락이 발생되고, 양극 전위(VBP)가 순간적으로 강하되어도, 노드(N13)의 전위는 변동되지 않는다. 그 결과, 기간 D12에 노드(N13)의 전위는 노드(N12)의 전위보다 높아진다.
도 3의 (E)에서는 출력 단자(S_OUT)의 상태를 나타내었다. 기간 D11 및 기간 D13에는 노드(N13)의 전위는 노드(N12)의 전위보다 낮기 때문에, 출력 단자(S_OUT)의 전위는 음극 전위(VBM)(로 레벨)이다. 또한 기간 D12에는 노드(N13)의 전위는 노드(N12)의 전위보다 높아지기 때문에, 출력 단자(S_OUT)의 전위는 양극 전위(VBP)(하이 레벨)가 된다.
즉, 마이크로 단락이 발생되지 않는 기간 D11 및 기간 D13에는 반도체 장치(100)는 출력 단자(S_OUT)로부터 음극 전위(VBM)를 출력하고, 마이크로 단락이 발생되면 출력 단자(S_OUT)로부터 양극 전위(VBP)를 출력한다. 반도체 장치(100)는 마이크로 단락이 발생되기 전의, 이차 전지의 양극 음극 간 전위에 관련된 노드(N11)의 전위를 샘플링함으로써, 양극 음극 간 전위가 약간 강하된 경우에도, 이차 전지의 마이크로 단락을 검출할 수 있다. 반도체 장치(100)는 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하는 이상 검출 장치로서의 기능을 갖는다.
<반도체 장치를 구성하는 트랜지스터>
반도체 장치(100)를 구성하는 트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15) 및 콤퍼레이터(50)를 구성하는 트랜지스터로서는, 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터(OS 트랜지스터)를 사용할 수 있다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮고, 소스와 드레인 사이에 높은 전압을 인가할 수 있고, 박막 트랜지스터이므로 적층하여 제공할 수 있다는 등의 특징을 갖는다. 여기서, 오프 전류란, 트랜지스터가 오프 상태일 때의 드레인 전류를 말한다. 산화물 반도체의 밴드 갭은 2.5eV 이상, 바람직하게는 3.0eV 이상이기 때문에, OS 트랜지스터는 열 여기로 인한 누설 전류가 낮고, 오프 전류가 매우 낮다는 특징을 갖는다. OS 트랜지스터는 예를 들어 채널 폭 1μm당 오프 전류를 100zA/μm 이하, 10zA/μm 이하, 1zA/μm 이하, 또는 10yA/μm 이하로 할 수 있다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮다는 특징을 갖기 때문에, 특히 트랜지스터(15)에 적합하다. 트랜지스터(15)의 오프 전류를 낮게 함으로써, 용량 소자(C11)로부터의 누설 전류를 낮게 억제할 수 있고, 노드(N13)의 전위를 정확하게 유지할 수 있다. 즉, 마이크로 단락으로 인한 이차 전지의 양극 음극 간의 전위 변동이 작은 경우에도, 반도체 장치(100)는 마이크로 단락을 정확하게 검출할 수 있다.
또는 트랜지스터(15)의 오프 전류를 낮게 함으로써, 용량 소자(C11)로부터의 누설 전류를 낮게 억제할 수 있고, 노드(N13)의 전위를 장기간 유지할 수 있다. 즉, 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 샘플링하는 간격을 길게 할 수 있고, 반도체 장치(100)를 소비 전력이 낮고, 노이즈 등의 영향을 받기 어려운 반도체 장치로 할 수 있다. 예를 들어 반도체 장치(100)가 양극 음극 간 전위를 샘플링하는 타이밍과 마이크로 단락의 발생이 동시에 일어나는 확률을 낮출 수 있다.
또한 OS 트랜지스터는 고온 환경하에서도 오프 전류가 증가되기 어렵고, 고온 환경하에서도 온 전류와 오프 전류의 비가 크다는 특징을 갖는다. OS 트랜지스터를 사용하여 반도체 장치(100)를 구성함으로써, 반도체 장치(100)의 신뢰성을 높일 수 있다.
OS 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용되는 금속 산화물은 인듐(In) 및 아연(Zn) 중 적어도 한쪽을 포함하는 산화물 반도체인 것이 바람직하다. 이와 같은 산화물 반도체로서는, In-M-Zn 산화물(원소 M은 예를 들어 Al, Ga, Y 또는 Sn)이 대표적이다. 전자 공여체(도너)가 되는 수분, 수소 등의 불순물을 저감하고, 또한 산소 결손도 저감함으로써, 산화물 반도체를 i형(진성) 또는 실질적으로 i형으로 할 수 있다. 이와 같은 산화물 반도체는 고순도화된 산화물 반도체라고 부를 수 있다. 또한 OS 트랜지스터의 자세한 사항에 대해서는, 실시형태 2 및 실시형태 3에서 설명한다.
또한 OS 트랜지스터는 박막 트랜지스터이기 때문에, 적층하여 제공할 수 있다. 예를 들어 단결정 실리콘 기판에 형성된 Si 트랜지스터를 사용하여 구성된 회로 위 등에 OS 트랜지스터를 제공할 수 있다. 그러므로 반도체 장치(100)의 칩 면적을 축소할 수 있다.
또는 반도체 장치(100)를 구성하는 트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15) 및 콤퍼레이터(50)를 구성하는 트랜지스터로서, OS 트랜지스터 이외의 트랜지스터를 사용하여도 좋다. 예를 들어 채널 형성 영역에 밴드 갭이 넓은 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용하여도 좋다. 밴드 갭이 넓은 반도체란, 밴드 갭이 2.2eV 이상인 반도체를 가리키는 경우가 있고, 예를 들어 탄소화 실리콘, 질화 갈륨, 다이아몬드 등이 있다.
<반도체 장치의 특징>
상술한 바와 같이, 반도체 장치(100)는 이차 전지의 양극 음극 간 전위에 관련된 전위를 샘플링하고, 샘플링한 전위와 샘플링 후의 양극 음극 간 전위에 관련된 전위를 비교함으로써, 마이크로 단락으로 인한 순간적이며 작은 전위 변동을 검출할 수 있다. 즉, 충전 중 등의 이차 전지의 전위 변동에도 대응할 수 있다.
샘플링을 하는 트랜지스터로서, OS 트랜지스터 등의 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 사용함으로써, 샘플링한 전위를 정확하게 유지할 수 있고, 전위 변동이 작은 경우에도 검출할 수 있다. 또한 샘플링의 간격을 길게 할 수 있다.
또한 제 1 소스 폴로어 및 제 2 소스 폴로어를 사용하여, 샘플링하는 전위를 낮게 함으로써, 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 사용하여 반도체 장치(100)를 동작시킬 수 있다. 이차 전지의 음극 전위 및 양극 전위 이외의 전위를 전원 전위로서 제공할 필요가 없기 때문에, 반도체 장치(100)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
또한 본 실시형태는 본 명세서에 기재되는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 반도체 장치(100)에 사용할 수 있는 OS 트랜지스터의 구성예에 대하여 설명한다. 또한 OS 트랜지스터는 박막 트랜지스터이므로 적층하여 제공할 수 있기 때문에, 본 실시형태에서는 단결정 실리콘 기판에 형성된 Si 트랜지스터의 위쪽에 OS 트랜지스터를 제공한 반도체 장치의 구성예에 대하여 설명한다.
<반도체 장치의 구성예>
도 4에 나타낸 반도체 장치는 트랜지스터(300), 트랜지스터(500), 및 용량 소자(600)를 갖는다. 도 5의 (A)는 트랜지스터(500)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 5의 (B)는 트랜지스터(500)의 채널 폭 방향의 단면도이고, 도 5의 (C)는 트랜지스터(300)의 채널 폭 방향의 단면도이다.
트랜지스터(500)는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터(OS 트랜지스터)이다. 트랜지스터(500)는 오프 전류가 매우 낮다는 특징을 갖기 때문에, 상기 실시형태에서는 이것을 반도체 장치(100)에 사용함으로써, 마이크로 단락으로 인한 이차 전지의 양극 음극 간의 전위 변동이 작은 경우에도, 반도체 장치(100)는 마이크로 단락을 검출할 수 있다.
본 실시형태에서 설명하는 반도체 장치는, 도 4에 나타낸 바와 같이 트랜지스터(300), 트랜지스터(500), 및 용량 소자(600)를 갖는다. 트랜지스터(500)는 트랜지스터(300) 위쪽에 제공되고, 용량 소자(600)는 트랜지스터(300) 및 트랜지스터(500) 위쪽에 제공되어 있다.
트랜지스터(300)는 기판(311) 위에 제공되고, 도전체(316), 절연체(315), 기판(311)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 및 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능하는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)을 갖는다.
트랜지스터(300)에서는, 도 5의 (C)에 나타낸 바와 같이 반도체 영역(313)의 상면 및 채널 폭 방향의 측면이 절연체(315)를 개재(介在)하여 도전체(316)로 덮여 있다. 이와 같이 트랜지스터(300)를 Fin형으로 하면, 실효적인 채널 폭이 증대되기 때문에, 트랜지스터(300)의 온 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 게이트 전극의 전계의 기여를 높일 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 트랜지스터(300)는 p채널형 및 n채널형 중 어느 쪽이어도 좋다.
반도체 영역(313)에서 채널이 형성되는 영역, 그 근방의 영역, 소스 영역 또는 드레인 영역이 되는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b) 등에서 실리콘계 반도체 등의 반도체를 포함하는 것이 바람직하고, 단결정 실리콘을 포함하는 것이 바람직하다. 또는 Ge(저마늄), SiGe(실리콘 저마늄), GaAs(갈륨 비소), GaAlAs(갈륨 알루미늄 비소) 등을 포함하는 재료로 형성하여도 좋다. 결정 격자에 응력을 가하여 격자 간격을 변화시킴으로써 유효 질량을 제어한 실리콘을 사용한 구성으로 하여도 좋다. 또는 GaAs와 GaAlAs 등을 사용함으로써, 트랜지스터(300)를 HEMT(High Electron Mobility Transistor)로 하여도 좋다.
저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)은 반도체 영역(313)에 적용되는 반도체 재료에 더하여 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함한다.
게이트 전극으로서 기능하는 도전체(316)에는 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소, 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함하는 실리콘 등의 반도체 재료, 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다.
또한 도전체의 재료에 따라 일함수가 결정되기 때문에, 도전체의 재료를 변경함으로써 트랜지스터의 Vth를 조정할 수 있다. 구체적으로는, 도전체에 질화 타이타늄이나 질화 탄탈럼 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전성과 매립성을 양립하기 위하여 도전체에 텅스텐이나 알루미늄 등의 금속 재료를 적층으로 하여 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 내열성의 관점에서 바람직하다.
또한 도 4에 나타낸 트랜지스터(300)는 일례이고, 그 구조에 한정되지 않고, 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다.
트랜지스터(300)를 덮어 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다.
절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)에는, 예를 들어 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화질화 알루미늄, 질화산화 알루미늄, 질화 알루미늄 등을 사용하면 좋다.
절연체(322)는 그 아래쪽에 제공되는 트랜지스터(300) 등으로 인하여 생기는 단차를 평탄화하는 평탄화막으로서의 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 절연체(322)의 상면은 평탄성을 높이기 위하여 화학 기계 연마(CMP)법 등을 사용한 평탄화 처리에 의하여 평탄화되어도 좋다.
또한 절연체(324)에는, 기판(311) 또는 트랜지스터(300) 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 갖는 막을 사용하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 배리어성을 갖는 막에는, 예를 들어 CVD법에 의하여 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등 산화물 반도체를 갖는 반도체 소자로 수소가 확산되면, 상기 반도체 소자의 특성이 저하되는 경우가 있다. 따라서 트랜지스터(500)와 트랜지스터(300) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막은, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
수소의 이탈량은 예를 들어 승온 이탈 가스 분석(TDS 분석)법 등을 사용하여 분석할 수 있다. 예를 들어 절연체(324)의 수소의 이탈량은, TDS 분석에서 막의 표면 온도가 50℃ 내지 500℃의 범위에서 수소 원자로 환산한 이탈량이 절연체(324)의 면적당으로 환산하여 10×1015atoms/cm2 이하, 바람직하게는 5×1015atoms/cm2 이하이면 좋다.
또한 절연체(326)는 절연체(324)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 4 미만인 것이 바람직하고, 3 미만인 것이 더 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 절연체(324)의 비유전율의 0.7배 이하인 것이 바람직하고, 0.6배 이하인 것이 더 바람직하다. 비유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
또한 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)에는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(500)에 접속되는 도전체(328) 및 도전체(330) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(328) 및 도전체(330)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는 도전체에는, 복수의 구조를 합쳐서 동일한 부호를 부여하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 배선과, 배선에 접속되는 플러그가 일체물이어도 좋다. 즉, 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우, 그리고 도전체의 일부가 플러그로서 기능하는 경우도 있다.
각 플러그 및 배선(도전체(328) 및 도전체(330) 등)의 재료로서는 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써, 배선 저항을 저감할 수 있다.
절연체(326) 및 도전체(330) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 4에서는 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)에는 도전체(356)가 형성되어 있다. 도전체(356)는 트랜지스터(300)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(356)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(350)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(356)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(350)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성된다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체에는, 예를 들어 질화 탄탈럼 등을 사용하는 것이 좋다. 또한 질화 탄탈럼과 도전성이 높은 텅스텐을 적층함으로써, 배선으로서의 도전성을 유지한 채, 트랜지스터(300)로부터의 수소의 확산을 억제할 수 있다. 이 경우, 수소에 대한 배리어성을 갖는 질화 탄탈럼층이, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(350)와 접하는 구조가 바람직하다.
절연체(354) 및 도전체(356) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 4에서는 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)에는 도전체(366)가 형성되어 있다. 도전체(366)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(366)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(360)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(366)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(360)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성된다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(364) 및 도전체(366) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 4에서는 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)에는 도전체(376)가 형성되어 있다. 도전체(376)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(376)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(370)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(376)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(370)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성된다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(374) 및 도전체(376) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어 도 4에서는 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)에는 도전체(386)가 형성되어 있다. 도전체(386)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(386)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(380)로서는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(386)는 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연체(380)의 개구부에 수소에 대한 배리어성을 갖는 도전체가 형성된다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 배리어층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
도전체(356)를 포함하는 배선층, 도전체(366)를 포함하는 배선층, 도전체(376)를 포함하는 배선층, 및 도전체(386)를 포함하는 배선층에 대하여 앞에서 설명하였지만, 본 실시형태에 따른 반도체 장치는 이에 한정되는 것이 아니다. 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 3층 이하로 하여도 좋고, 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 5층 이상으로 하여도 좋다.
절연체(384) 위에는 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516) 중 어느 것에는, 산소나 수소에 대한 배리어성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는, 기판(311) 또는 트랜지스터(300)를 제공하는 영역 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 갖는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(324)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
수소에 대한 배리어성을 갖는 막에는, 예를 들어 CVD법에 의하여 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등 산화물 반도체를 갖는 반도체 소자로 수소가 확산되면, 상기 반도체 소자의 특성이 저하되는 경우가 있다. 따라서 트랜지스터(500)와 트랜지스터(300) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막은, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
또한 수소에 대한 배리어성을 갖는 막으로서, 예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 산화 알루미늄은 산소, 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 크다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에 수소, 수분 등의 불순물이 트랜지스터(500)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터 산소가 방출되는 것을 억제할 수 있다. 그러므로 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한 예를 들어 절연체(512) 및 절연체(516)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 유전율이 비교적 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어 절연체(512) 및 절연체(516)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)에는 도전체(518), 및 트랜지스터(500)를 구성하는 도전체(도전체(503)) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(518)는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(300)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(518)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
특히 절연체(510) 및 절연체(514)와 접하는 영역의 도전체(518)는 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 갖는 도전체인 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)를 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 갖는 층에 의하여 분리할 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(516) 위쪽에는 트랜지스터(500)가 제공되어 있다.
도 5의 (A), (B)에 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(500)는 절연체(514) 및 절연체(516)에 매립되도록 배치된 도전체(503)와, 절연체(516)와 도전체(503) 위에 배치된 절연체(520)와, 절연체(520) 위에 배치된 절연체(522)와, 절연체(522) 위에 배치된 절연체(524)와, 절연체(524) 위에 배치된 산화물(530a)과, 산화물(530a) 위에 배치된 산화물(530b)과, 산화물(530b) 위에 서로 떨어져 배치된 도전체(542a) 및 도전체(542b)와, 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 배치되고 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이에 중첩하여 개구가 형성된 절연체(580)와, 개구 내에 배치된 도전체(560)와, 산화물(530b), 도전체(542a), 도전체(542b), 및 절연체(580)와 도전체(560) 사이에 배치된 절연체(550)와, 산화물(530b), 도전체(542a), 도전체(542b), 및 절연체(580)와 절연체(550) 사이에 배치된 산화물(530c)을 갖는다.
또한 도 5의 (A), (B)에 나타낸 바와 같이, 산화물(530a), 산화물(530b), 도전체(542a), 및 도전체(542b)와 절연체(580) 사이에 절연체(544)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한 도 5의 (A), (B)에 나타낸 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(550)의 내측에 제공된 도전체(560a)와, 도전체(560a)의 내측에 매립되도록 제공된 도전체(560b)를 갖는 것이 바람직하다. 또한 도 5의 (A), (B)에 나타낸 바와 같이, 절연체(580), 도전체(560), 및 절연체(550) 위에 절연체(574)가 배치되는 것이 바람직하다.
또한 이하에서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)을 통틀어 산화물(530)이라고 하는 경우가 있다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 통틀어 도전체(542)라고 하는 경우가 있다.
또한 채널이 형성되는 영역과 그 근방에서 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 3층이 적층된 트랜지스터(500)의 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 산화물(530b)의 단층, 산화물(530b)과 산화물(530a)의 2층 구조, 산화물(530b)과 산화물(530c)의 2층 구조, 또는 4층 이상의 적층 구조를 제공하는 구성으로 하여도 좋다. 또한 트랜지스터(500)에서는 도전체(560)를 2층의 적층 구조로서 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(560)는 단층 구조이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다. 또한 도 4, 도 5의 (A), (B)에 나타낸 트랜지스터(500)는 일례이고, 그 구조에 한정되지 않고, 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다.
여기서, 도전체(560)는 트랜지스터의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전체(542a) 및 도전체(542b)는 각각 소스 전극 또는 드레인 전극으로서 기능한다. 상술한 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 매립되도록 형성된다. 도전체(560), 도전체(542a), 및 도전체(542b)의 배치는 절연체(580)의 개구에 대하여 자기 정합(self-aligned)적으로 선택된다. 즉, 트랜지스터(500)에서, 게이트 전극을 소스 전극과 드레인 전극 사이에 자기 정합적으로 배치할 수 있다. 따라서 위치를 맞추기 위한 마진을 제공하지 않고 도전체(560)를 형성할 수 있기 때문에, 트랜지스터(500)의 점유 면적을 축소할 수 있다. 이로써, 반도체 장치의 미세화, 고집적화를 도모할 수 있다.
또한 도전체(560)가 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 자기 정합적으로 형성되기 때문에, 도전체(560)는 도전체(542a) 또는 도전체(542b)와 중첩되는 영역을 갖지 않는다. 이로써, 도전체(560)와 도전체(542a) 및 도전체(542b) 사이에 형성되는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서 트랜지스터(500)는 스위칭 속도가 향상되고, 높은 주파수 특성을 가질 수 있다.
도전체(560)는 제 1 게이트(톱 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 또한 도전체(503)는 제 2 게이트(보텀 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 이 경우, 도전체(503)에 인가하는 전위를 도전체(560)에 인가하는 전위와 연동시키지 않고 독립적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터(500)의 Vth를 제어할 수 있다. 특히, 도전체(503)에 음의 전위를 인가함으로써, 트랜지스터(500)의 Vth를 0V보다 크게 하고, 오프 전류를 저감할 수 있다. 따라서 도전체(503)에 음의 전위를 인가하는 경우에는 인가하지 않는 경우보다 도전체(560)에 인가하는 전위가 0V일 때의 드레인 전류를 저감할 수 있다.
도전체(503)는 산화물(530) 및 도전체(560)와 중첩되도록 배치된다. 이로써, 도전체(560) 및 도전체(503)에 전위를 인가한 경우, 도전체(560)로부터 발생하는 전계와 도전체(503)로부터 발생하는 전계가 연결되므로, 산화물(530)에 형성되는 채널 형성 영역을 덮을 수 있다. 본 명세서 등에서는, 제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극의 전계로 채널 형성 영역을 전기적으로 둘러싸는 트랜지스터의 구조를 surrounded channel(S-channel) 구조라고 부른다.
또한 본 명세서 등에서, S-channel 구조는, 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변이, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이라는 특징을 갖는다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변은 절연체(544)와 접하기 때문에, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이 될 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 I형이란, 후술하는 고순도 진성과 같은 것으로 취급할 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 개시하는 S-channel 구조는 Fin형 구조 및 플레이너형 구조와는 다르다. S-channel 구조를 채용하면, 단채널 효과에 대한 내성이 높은, 즉 단채널 효과가 발생하기 어려운 트랜지스터로 할 수 있다.
또한 도전체(503)는 도전체(518)와 같은 구성을 갖고, 절연체(514) 및 절연체(516)의 개구의 내벽과 접하여 도전체(503a)가 형성되고, 그 내측에 도전체(503b)가 형성되어 있다.
절연체(520), 절연체(522), 절연체(524), 및 절연체(550)는 게이트 절연막으로서의 기능을 갖는다.
여기서, 산화물(530)과 접하는 절연체(524)로서는, 화학량론적 조성을 만족하는 산소보다 많은 산소를 포함하는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 절연체(524)에는 과잉 산소 영역이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 과잉 산소를 포함하는 절연체를 산화물(530)과 접하여 제공함으로써, 산화물(530) 내의 산소 결손을 저감하여, 트랜지스터(500)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
과잉 산소 영역을 갖는 절연체로서, 구체적으로는 가열에 의하여 일부의 산소가 이탈되는 산화물 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 이탈되는 산화물이란, TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 분석에서 산소 원자로 환산한 산소의 이탈량이 1.0×1018atoms/cm3 이상, 바람직하게는 1.0×1019atoms/cm3 이상, 더 바람직하게는 2.0×1019atoms/cm3 이상 또는 3.0×1020atoms/cm3 이상인 산화물막이다. 또한 상기 TDS 분석 시의 막의 표면 온도는 100℃ 이상 700℃ 이하, 또는 100℃ 이상 400℃ 이하의 범위가 바람직하다.
또한 절연체(524)가 과잉 산소 영역을 갖는 경우, 절연체(522)는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등)의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 것이 바람직하다.
절연체(522)가 산소나 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지면, 산화물(530)에 포함되는 산소가 절연체(520) 측으로 확산되지 않기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(503)가 절연체(524)나 산화물(530)에 포함되는 산소와 반응하는 것을 억제할 수 있다.
절연체(522)에는, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 소위 high-k 재료를 포함하는 절연체를 단층으로 또는 적층하여 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다.
특히 불순물 및 산소 등의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 절연성 재료인 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체를 사용하는 것이 좋다. 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체로서는, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료를 사용하여 절연체(522)를 형성한 경우, 절연체(522)는 산화물(530)로부터의 산소의 방출이나, 트랜지스터(500)의 주변부로부터 산화물(530)로의 수소 등의 불순물의 혼입을 억제하는 층으로서 기능한다.
또는 이들 절연체에, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 비스무트, 산화 저마늄, 산화 나이오븀, 산화 실리콘, 산화 타이타늄, 산화 텅스텐, 산화 이트륨, 산화 지르코늄을 첨가하여도 좋다. 또는 이들 절연체를 질화 처리하여도 좋다. 상기 절연체에 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 또는 질화 실리콘을 적층시켜 사용하여도 좋다.
또한 절연체(520)는 열적으로 안정적인 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 적합하다. 또한 high-k 재료의 절연체를 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘과 조합함으로써, 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조의 절연체(520)를 얻을 수 있다.
또한 절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)가 2층 이상의 적층 구조를 가져도 좋다. 이 경우, 같은 재료로 이루어지는 적층 구조에 한정되지 않고, 상이한 재료로 이루어지는 적층 구조이어도 좋다.
트랜지스터(500)에서는, 채널 형성 영역을 포함하는 산화물(530)로서, 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물(530)로서, In-M-Zn 산화물(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류) 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 좋다. 또한 산화물(530)로서 In-Ga 산화물, In-Zn 산화물을 사용하여도 좋다.
또한 트랜지스터(500)에는 캐리어 농도가 낮은 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 금속 산화물의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는, 금속 산화물 내의 불순물 농도를 낮추고, 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다. 본 명세서 등에서, 불순물 농도가 낮고, 결함 준위 밀도가 낮은 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 한다. 또한 금속 산화물 내의 불순물로서는, 예를 들어 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다.
특히 금속 산화물에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합하는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 금속 산화물 내에 산소 결손을 형성하는 경우가 있다. 금속 산화물 내의 채널 형성 영역에 산소 결손이 포함되면 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖는 경우가 있다. 또한 산소 결손에 수소가 들어간 결함은 도너로서 기능하고, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합하는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서 수소가 많이 포함되는 금속 산화물을 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다.
산소 결손에 수소가 들어간 결함은 금속 산화물의 도너로서 기능할 수 있다. 그러나 상기 결함을 정량적으로 평가하는 것은 어렵다. 그러므로 금속 산화물은 도너 농도가 아니라 캐리어 농도로 평가되는 경우가 있다. 따라서 본 명세서 등에서는 금속 산화물의 파라미터로서, 도너 농도 대신에 전계가 인가되지 않는 상태를 상정한 캐리어 농도를 사용하는 경우가 있다. 즉, 본 명세서 등에 기재되는 "캐리어 농도"는 "도너 농도"라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
그러므로 산화물(530)에 금속 산화물을 사용하는 경우, 금속 산화물 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 얻어지는 금속 산화물의 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다. 수소 등의 불순물이 충분히 저감된 금속 산화물을 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한 산화물(530)에 금속 산화물을 사용하는 경우, 채널 형성 영역에서의 금속 산화물의 캐리어 농도는 1×1018cm-3 이하인 것이 바람직하고, 1×1017cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1016cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1013cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1012cm-3 미만인 것이 더 바람직하다. 또한 채널 형성 영역에서의 금속 산화물의 캐리어 농도의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 1×10-9cm-3으로 할 수 있다.
또한 산화물(530)에 금속 산화물을 사용하는 경우, 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))와 산화물(530)이 접함으로써, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되어, 도전체(542)가 산화되는 경우가 있다. 도전체(542)가 산화된 경우, 도전체(542)의 도전율이 저하될 가능성이 높다. 또한 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되는 것을 도전체(542)가 산화물(530) 내의 산소를 흡수한다고 바꿔 말할 수 있다.
또한 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))로 확산됨으로써, 도전체(542a)와 산화물(530b) 사이 및 도전체(542b)와 산화물(530b) 사이에 이층(異層)이 형성되는 경우가 있다. 상기 이층은 도전체(542)보다 산소를 많이 포함하기 때문에, 상기 이층은 절연성을 갖는 것으로 추정된다. 이때, 도전체(542)와, 상기 이층과, 산화물(530b)의 3층 구조는 금속-절연체-반도체로 이루어지는 3층 구조로 간주할 수 있고, MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조라고 부르거나, 또는 MIS 구조를 주로 갖는 다이오드 접합 구조라고 부르는 경우가 있다.
또한 상기 이층은 도전체(542)와 산화물(530b) 사이에 형성되는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우나, 도전체(542)와 산화물(530b) 사이, 및 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우가 있다.
또한 산화물(530)에서 채널 형성 영역으로서 기능하는 금속 산화물로서는, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 밴드 갭이 넓은 금속 산화물을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다.
산화물(530)은 산화물(530b) 아래에 산화물(530a)을 가짐으로써, 산화물(530a)보다 아래쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 또한 산화물(530b) 위에 산화물(530c)을 가짐으로써, 산화물(530c)보다 위쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다.
또한 산화물(530)은 각 금속 원자의 원자수비가 상이한 복수의 산화물층의 적층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서, 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서, In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서, 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)로서는 산화물(530a) 또는 산화물(530b)로서 사용할 수 있는 금속 산화물을 사용할 수 있다.
또한 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전도대 하단의 에너지가 산화물(530b)의 전도대 하단의 에너지보다 높은 것이 바람직하다. 또한 바꿔 말하면, 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전자 친화력이 산화물(530b)의 전자 친화력보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서 전도대 하단의 에너지 준위는 완만하게 변화된다. 바꿔 말하면, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고도 할 수 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는, 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이 산소 이외에 공통의 원소를 포함함으로써(주성분으로 함으로써), 결함 준위 밀도가 낮은 혼합층을 형성할 수 있다. 예를 들어 산화물(530b)이 In-Ga-Zn 산화물인 경우, 산화물(530a) 및 산화물(530c)로서 In-Ga-Zn 산화물, Ga-Zn 산화물, 산화 갈륨 등을 사용하는 것이 좋다.
이때, 캐리어의 주된 경로는 산화물(530b)이다. 산화물(530a), 산화물(530c)을 상술한 구성으로 함으로써, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮출 수 있다. 따라서 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아지므로, 트랜지스터(500)는 높은 온 전류를 얻을 수 있다.
산화물(530b) 위에는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))가 제공된다. 도전체(542)에는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 란타넘 중에서 선택된 금속 원소, 또는 상술한 금속 원소를 성분으로 하는 합금이나, 상술한 금속 원소를 조합한 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 텅스텐, 타이타늄과 알루미늄을 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료, 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다.
또한 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 산화물(530)과 도전체(542)의 계면과 그 근방에는 저저항 영역으로서 영역(543)(영역(543a) 및 영역(543b))이 형성되는 경우가 있다. 이때, 영역(543a)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하고, 영역(543b)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능한다. 또한 영역(543a)과 영역(543b) 사이의 영역에 채널 형성 영역이 형성된다.
상기 도전체(542)를 산화물(530)과 접하도록 제공함으로써, 영역(543)의 산소 농도가 저감되는 경우가 있다. 또한 영역(543)에, 도전체(542)에 포함되는 금속과, 산화물(530)의 성분을 포함하는 금속 화합물층이 형성되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 영역(543)의 캐리어 농도가 증가되어 영역(543)은 저저항 영역이 된다.
절연체(544)는 도전체(542)를 덮도록 제공되어, 도전체(542)의 산화를 억제한다. 이때 절연체(544)는 산화물(530)의 측면을 덮어 절연체(524)와 접하도록 제공되어도 좋다.
절연체(544)로서는 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히, 절연체(544)로서 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함한 절연체인, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄막보다 내열성이 높다. 그러므로 추후의 공정에서의 열처리에서 결정화되기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(542)가 내산화성을 갖는 재료이거나, 또는 산소를 흡수하여도 도전성이 현저하게 저하되지 않는 경우에는, 절연체(544)는 필수적인 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
절연체(550)는 게이트 절연막으로서 기능한다. 절연체(550)는 산화물(530c)의 내측(상면 및 측면)과 접하여 배치되는 것이 바람직하다. 절연체(550)는 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 TDS 분석에서 산소 원자로 환산한 산소의 이탈량이 1.0×1018atoms/cm3 이상, 바람직하게는 1.0×1019atoms/cm3 이상, 더 바람직하게는 2.0×1019atoms/cm3 이상 또는 3.0×1020atoms/cm3 이상인 산화물막이다. 또한 상기 TDS 분석 시의 막의 표면 온도는 100℃ 이상 700℃ 이하의 범위가 바람직하다.
구체적으로는 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공(空孔)을 갖는 산화 실리콘을 사용할 수 있다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이므로 바람직하다.
가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 절연체(550)로서 산화물(530c)의 상면과 접하여 제공함으로써, 절연체(550)로부터 산화물(530c)을 통하여 산화물(530b)의 채널 형성 영역에 산소를 효과적으로 공급할 수 있다. 또한 절연체(524)와 마찬가지로 절연체(550) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다. 절연체(550)의 막 두께는 1nm 이상 20nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한 절연체(550)에 포함되는 과잉 산소를 산화물(530)에 효율적으로 공급하기 위하여, 절연체(550)와 도전체(560) 사이에 금속 산화물을 제공하여도 좋다. 상기 금속 산화물은 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 산소의 확산을 억제하는 것이 바람직하다. 산소의 확산을 억제하는 금속 산화물을 제공함으로써, 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 과잉 산소의 확산이 억제된다. 즉, 산화물(530)에 공급하는 과잉 산소량의 감소를 억제할 수 있다. 또한 과잉 산소로 인한 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 상기 금속 산화물에는, 절연체(544)에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도 5의 (A), (B)에서는 2층 구조로 나타내었지만, 단층 구조이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다.
도전체(560a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 질소 원자, 질소 분자, 산화 질소 분자(N2O, NO, NO2 등), 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 절연체(550)에 포함되는 산소에 의하여 도전체(560b)가 산화되어 도전율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료로서는, 예를 들어 탄탈럼, 질화 탄탈럼, 루테늄, 또는 산화 루테늄 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 도전체(560b)는 배선으로서도 기능하기 때문에, 도전성이 높은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한 도전체(560b)를 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층 구조로 하여도 좋다.
절연체(580)는 절연체(544)를 개재하여 도전체(542) 위에 제공된다. 절연체(580)는 과잉 산소 영역을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(580)로서 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 갖는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이므로 바람직하다. 특히, 산화 실리콘, 공공을 갖는 산화 실리콘은 추후의 공정에서 과잉 산소 영역을 용이하게 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
절연체(580)는 과잉 산소 영역을 갖는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체(580)를 산화물(530c)과 접하여 제공함으로써, 절연체(580) 내의 산소를 산화물(530c)을 통하여 산화물(530)에 효율적으로 공급할 수 있다. 또한 절연체(580) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
절연체(580)의 개구는 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역과 중첩하여 형성된다. 이에 의하여, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 매립되도록 형성된다.
반도체 장치를 미세화하기 위하여 게이트 길이를 짧게 하는 것이 요구되지만, 도전체(560)의 도전성이 저하되지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 도전체(560)의 막 두께를 두껍게 하면, 도전체(560)는 종횡비가 높은 형상을 가질 수 있다. 본 실시형태에서는 절연체(580)의 개구에 매립되도록 도전체(560)를 제공하기 때문에, 도전체(560)를 종횡비가 높은 형상으로 하여도, 공정 중에 무너지는 일 없이 도전체(560)를 형성할 수 있다.
절연체(574)는 절연체(580)의 상면, 도전체(560)의 상면, 및 절연체(550)의 상면과 접하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)를 스퍼터링법에 의하여 성막함으로써, 절연체(550) 및 절연체(580)에 과잉 산소 영역을 제공할 수 있다. 이로써, 이 과잉 산소 영역으로부터 산화물(530) 내에 산소를 공급할 수 있다.
예를 들어 절연체(574)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히 산화 알루미늄은 배리어성이 높아 0.5nm 이상 3.0nm 이하의 박막이어도 수소 및 질소의 확산을 억제할 수 있다. 따라서 스퍼터링법에 의하여 성막한 산화 알루미늄은 산소 공급원이면서 수소 등의 불순물의 배리어막으로서의 기능도 가질 수 있다.
또한 절연체(574) 위에 층간막으로서 기능하는 절연체(581)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(581)는 절연체(524) 등과 마찬가지로 막 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
또한 절연체(581), 절연체(574), 절연체(580), 및 절연체(544)에 형성된 개구에 도전체(540a) 및 도전체(540b)를 배치한다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 도전체(560)를 사이에 두고 대향하여 제공된다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 후술하는 도전체(546) 및 도전체(548)와 같은 구성을 갖는다.
절연체(581) 위에는 절연체(582)가 제공되어 있다. 절연체(582)에는 산소나 수소에 대한 배리어성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(582)에는 절연체(514)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어 절연체(582)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히 산화 알루미늄은 산소, 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 크다. 따라서 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에 수소, 수분 등의 불순물이 트랜지스터(500)에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터 산소가 방출되는 것을 억제할 수 있다. 그러므로 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한 절연체(582) 위에는 절연체(586)가 제공되어 있다. 절연체(586)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 유전율이 비교적 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어 절연체(586)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한 절연체(520), 절연체(522), 절연체(524), 절연체(544), 절연체(580), 절연체(574), 절연체(581), 절연체(582), 및 절연체(586)에는 도전체(546) 및 도전체(548) 등이 매립되어 있다.
도전체(546) 및 도전체(548)는 용량 소자(600), 트랜지스터(500), 또는 트랜지스터(300)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(546) 및 도전체(548)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
다음으로, 트랜지스터(500) 위쪽에는 용량 소자(600)가 제공되어 있다. 용량 소자(600)는 도전체(610)와, 도전체(620)와, 절연체(630)를 갖는다.
또한 도전체(546) 및 도전체(548) 위에 도전체(612)를 제공하여도 좋다. 도전체(612)는 트랜지스터(500)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 갖는다. 도전체(610)는 용량 소자(600)의 전극으로서의 기능을 갖는다. 또한 도전체(612) 및 도전체(610)는 동시에 형성할 수 있다.
도전체(612) 및 도전체(610)에는 몰리브데넘, 타이타늄, 탄탈럼, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 크로뮴, 네오디뮴, 스칸듐 중에서 선택된 원소를 포함하는 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 탄탈럼막, 질화 타이타늄막, 질화 몰리브데넘막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또는 인듐 주석 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 아연 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 산화 실리콘을 첨가한 인듐 주석 산화물 등의 도전성 재료를 적용할 수도 있다.
도 4에서는 도전체(612) 및 도전체(610)를 단층 구조로 나타내었지만, 상기 구성에 한정되지 않고, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 배리어성을 갖는 도전체와 도전성이 높은 도전체 사이에, 배리어성을 갖는 도전체 및 도전성이 높은 도전체에 대하여 밀착성이 높은 도전체를 형성하여도 좋다.
절연체(630)를 개재하여 도전체(610)와 중첩되도록 도전체(620)를 제공한다. 또한 도전체(620)에는 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체 등의 다른 구조와 동시에 형성하는 경우에는 저저항 금속 재료인 Cu(구리)나 Al(알루미늄) 등을 사용하면 좋다.
도전체(620) 및 절연체(630) 위에는 절연체(650)가 제공되어 있다. 절연체(650)는 절연체(320)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다. 또한 절연체(650)는 그 아래쪽의 요철 형상을 피복하는 평탄화막으로서 기능하여도 좋다.
본 구조를 사용함으로써, 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치에서, 전기 특성의 변동을 억제하면서 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또는 온 전류가 높은 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는 오프 전류가 낮은 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또는 소비 전력이 저감된 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치에서 미세화 또는 고집적화를 도모할 수 있다.
<트랜지스터의 구조예>
또한 본 실시형태에서 설명하는 반도체 장치의 트랜지스터(500)는 상기 구조에 한정되는 것이 아니다. 이하에서는, 트랜지스터(500)에 사용할 수 있는 구조예에 대하여 설명한다.
<트랜지스터의 구조예 1>
도 6의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 트랜지스터(510A)의 구조예를 설명한다. 도 6의 (A)는 트랜지스터(510A)의 상면도이다. 도 6의 (B)는 도 6의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 6의 (C)는 도 6의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 6의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
도 6의 (A), (B), 및 (C)에서는, 트랜지스터(510A)와, 층간막으로서 기능하는 절연체(511), 절연체(512), 절연체(514), 절연체(516), 절연체(580), 절연체(582), 및 절연체(584)를 나타내었다. 또한 트랜지스터(510A)에 전기적으로 접속되고 콘택트 플러그로서 기능하는 도전체(546)(도전체(546a) 및 도전체(546b))와, 배선으로서 기능하는 도전체(503)를 나타내었다.
트랜지스터(510A)는 제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)(도전체(560a) 및 도전체(560b))와, 제 2 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(505)(도전체(505a) 및 도전체(505b))와, 제 1 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체(550)와, 제 2 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체(521), 절연체(522), 및 절연체(524)와, 채널이 형성되는 영역을 갖는 산화물(530)(산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c))과, 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능하는 도전체(542a)와, 소스 및 드레인 중 다른 쪽으로서 기능하는 도전체(542b)와, 절연체(574)를 갖는다.
또한 도 6에 나타낸 트랜지스터(510A)에서는 산화물(530c), 절연체(550), 및 도전체(560)가 절연체(580)에 제공된 개구부 내에 절연체(574)를 개재하여 배치된다. 또한 산화물(530c), 절연체(550), 및 도전체(560)는 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이에 배치된다.
절연체(511) 및 절연체(512)는 층간막으로서 기능한다.
층간막으로서는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 절연체를 단층 또는 적층으로 사용할 수 있다. 또는 이들 절연체에, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 비스무트, 산화 저마늄, 산화 나이오븀, 산화 실리콘, 산화 타이타늄, 산화 텅스텐, 산화 이트륨, 산화 지르코늄을 첨가하여도 좋다. 또는 이들 절연체를 질화 처리하여도 좋다. 상기 절연체에 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 또는 질화 실리콘을 적층시켜 사용하여도 좋다.
예를 들어 절연체(511)는 물 또는 수소 등의 불순물이 기판 측으로부터 트랜지스터(510A)에 혼입되는 것을 억제하는 배리어막으로서 기능하는 것이 바람직하다. 따라서 절연체(511)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 불순물이 투과하기 어려운) 절연성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 절연성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(511)로서 산화 알루미늄이나 질화 실리콘 등을 사용하여도 좋다. 상기 구성에 의하여 수소, 물 등의 불순물이 절연체(511)보다 기판 측으로부터 트랜지스터(510A) 측으로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
예를 들어 절연체(512)는 절연체(511)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
도전체(503)는 절연체(512)에 매립되도록 형성된다. 여기서, 도전체(503)의 상면의 높이와 절연체(512)의 상면의 높이는 실질적으로 같게 할 수 있다. 또한 도전체(503)를 단층으로 하는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(503)를 2층 이상의 다층막 구조로 하여도 좋다. 또한 도전체(503)에는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는, 도전성이 높은 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
트랜지스터(510A)에서 도전체(560)는 제 1 게이트(톱 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 또한 도전체(505)는 제 2 게이트(보텀 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 이 경우, 도전체(505)에 인가하는 전위를 도전체(560)에 인가하는 전위와 연동시키지 않고 독립적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터(510A)의 문턱 전압을 제어할 수 있다. 특히, 도전체(505)에 음의 전위를 인가함으로써, 트랜지스터(510A)의 문턱 전압을 0V보다 크게 하고, 오프 전류를 저감할 수 있다. 따라서 도전체(505)에 음의 전위를 인가하는 경우에는 인가하지 않는 경우보다 도전체(560)에 인가하는 전위가 0V일 때의 드레인 전류를 저감할 수 있다.
또한 예를 들어 도전체(505)와 도전체(560)를 중첩시켜 제공함으로써, 도전체(560) 및 도전체(505)에 전위를 인가한 경우, 도전체(560)로부터 발생하는 전계와 도전체(505)로부터 발생하는 전계가 연결되므로, 산화물(530)에 형성되는 채널 형성 영역을 덮을 수 있다.
즉, 제 1 게이트 전극으로서의 기능을 갖는 도전체(560)의 전계와, 제 2 게이트 전극으로서의 기능을 갖는 도전체(505)의 전계로 채널 형성 영역을 전기적으로 둘러쌀 수 있다. 즉, 상술한 트랜지스터(500)와 마찬가지로 surrounded channel(S-channel) 구조이다.
절연체(514) 및 절연체(516)는 절연체(511) 또는 절연체(512)와 마찬가지로 층간막으로서 기능한다. 예를 들어 절연체(514)는 물 또는 수소 등의 불순물이 기판 측으로부터 트랜지스터(510A)에 혼입되는 것을 억제하는 배리어막으로서 기능하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하여, 수소, 물 등의 불순물이 절연체(514)보다 기판 측으로부터 트랜지스터(510A) 측으로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한 예를 들어 절연체(516)는 절연체(514)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
제 2 게이트로서 기능하는 도전체(505)는 절연체(514) 및 절연체(516)의 개구의 내벽과 접하여 도전체(505a)가 형성되고, 그 내측에 도전체(505b)가 형성되어 있다. 여기서, 도전체(505a) 및 도전체(505b)의 상면의 높이와 절연체(516)의 상면의 높이는 실질적으로 같게 할 수 있다. 또한 도전체(505a) 및 도전체(505b)가 적층된 트랜지스터(510A)의 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(505)를 단층 또는 3층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다.
여기서 도전체(505a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 불순물이 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는(상기 산소가 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서 등에서 불순물 또는 산소의 확산을 억제하는 기능이란, 상기 불순물 및 상기 산소 중 어느 하나 또는 모두의 확산을 억제하는 기능이다.
예를 들어 도전체(505a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(505b)가 산화되어 도전율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한 도전체(505)가 배선의 기능을 겸하는 경우, 도전체(505b)에는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는, 도전성이 높은 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도전체(503)를 반드시 제공할 필요는 없다. 또한 도전체(505b)를 단층으로 도시하였지만, 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층으로 하여도 좋다.
절연체(521), 절연체(522), 및 절연체(524)는 제 2 게이트 절연막으로서의 기능을 갖는다.
또한 절연체(522)는 배리어성을 갖는 것이 바람직하다. 절연체(522)는 배리어성을 가지면, 트랜지스터(510A)의 주변부로부터 트랜지스터(510A)로의 수소 등의 불순물의 혼입을 억제하는 층으로서 기능한다.
절연체(522)에는, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트), 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 소위 high-k 재료를 포함하는 절연체를 단층으로 또는 적층하여 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다.
또한 절연체(521)는 열적으로 안정적인 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 적합하다. 또한 high-k 재료의 절연체를 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘과 조합함으로써, 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조의 절연체(521)를 얻을 수 있다.
또한 도 6에서는 제 2 게이트 절연막으로서 3층의 적층 구조를 나타내었지만, 2층 이하 또는 4층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 이 경우, 같은 재료로 이루어지는 적층 구조에 한정되지 않고, 상이한 재료로 이루어지는 적층 구조이어도 좋다.
채널 형성 영역으로서 기능하는 영역을 갖는 산화물(530)은 산화물(530a)과, 산화물(530a) 위의 산화물(530b)과, 산화물(530b) 위의 산화물(530c)을 갖는다. 산화물(530b) 아래에 산화물(530a)을 가짐으로써, 산화물(530a)보다 아래쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 또한 산화물(530b) 위에 산화물(530c)을 가짐으로써, 산화물(530c)보다 위쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 산화물(530)로서는 상술한 금속 산화물의 1종류인 산화물 반도체를 사용할 수 있다.
또한 산화물(530c)은 절연체(580)에 제공된 개구부 내에 절연체(574)를 개재하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)가 배리어성을 갖는 경우, 절연체(580)로부터의 불순물이 산화물(530)로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
도전체(542)는 한쪽이 소스 전극으로서 기능하고, 다른 쪽이 드레인 전극으로서 기능한다.
도전체(542a)와 도전체(542b)에는 알루미늄, 타이타늄, 크로뮴, 니켈, 구리, 이트륨, 지르코늄, 몰리브데넘, 은, 탄탈럼, 또는 텅스텐 등의 금속, 혹은 이를 주성분으로 하는 합금을 사용할 수 있다. 특히, 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물막은 수소 또는 산소에 대한 배리어성을 갖고, 또한 내산화성이 높기 때문에 바람직하다.
또한 도 6에서는 도전체(542)가 단층 구조인 경우를 나타내었지만, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 질화 탄탈럼막과 텅스텐막을 적층하는 것이 좋다. 또한 타이타늄막과 알루미늄막을 적층하여도 좋다. 또한 텅스텐막 위에 알루미늄막을 적층하는 2층 구조, 구리-마그네슘-알루미늄 합금막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 타이타늄막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 텅스텐막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조로 하여도 좋다.
또한 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막과, 그 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막을 더 형성하는 3층 구조, 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막과, 그 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막을 더 형성하는 3층 구조 등이 있다. 또한 산화 인듐, 산화 주석, 또는 산화 아연을 포함하는 투명 도전 재료를 사용하여도 좋다.
또한 도전체(542) 위에 배리어층을 제공하여도 좋다. 배리어층에는 산소 또는 수소에 대한 배리어성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하여, 절연체(574)를 성막할 때 도전체(542)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
배리어층에는 예를 들어 금속 산화물을 사용할 수 있다. 특히, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 갈륨 등, 산소나 수소에 대한 배리어성을 갖는 절연막을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 CVD법에 의하여 형성된 질화 실리콘을 사용하여도 좋다.
배리어층을 가짐으로써, 도전체(542)의 재료 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 예를 들어 도전체(542)에 텅스텐이나 알루미늄 등 내산화성이 낮으면서도 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 또한 예를 들어 성막 또는 가공이 쉬운 도전체를 사용할 수 있다.
절연체(550)는 제 1 게이트 절연막으로서 기능한다. 절연체(550)는 절연체(580)에 제공된 개구부 내에 산화물(530c) 및 절연체(574)를 개재하여 제공되는 것이 바람직하다.
트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 그 경우, 절연체(550)는 제 2 게이트 절연막과 마찬가지로 적층 구조로 하여도 좋다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체를 high-k 재료와 열적으로 안정적인 재료의 적층 구조로 함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다. 또한 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조로 할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도전체(560a) 및 도전체(560a) 위의 도전체(560b)를 갖는다. 도전체(560a)에는 도전체(505a)와 마찬가지로 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(560b)의 재료 선택성을 향상시킬 수 있다. 즉, 도전체(560a)를 가짐으로써, 도전체(560b)의 산화가 억제되므로, 도전율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료로서는, 예를 들어 탄탈럼, 질화 탄탈럼, 루테늄, 또는 산화 루테늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560a)에는, 산화물(530)로서 사용할 수 있는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 그 경우, 도전체(560b)를 스퍼터링법에 의하여 성막함으로써, 도전체(560a)의 전기 저항값을 저하시켜 도전체로 할 수 있다. 이를 OC(Oxide Conductor) 전극이라고 부를 수 있다.
또한 도전체(560)는 배선으로서 기능하기 때문에, 도전성이 높은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한 도전체(560b)를 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층으로 하여도 좋다.
절연체(580)와 트랜지스터(510A) 사이에 절연체(574)를 배치한다. 절연체(574)에는, 물 또는 수소 등의 불순물 및 산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 절연성 재료를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 산화 알루미늄 또는 산화 하프늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이 외에도, 예를 들어 산화 마그네슘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 또는 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물, 질화산화 실리콘, 혹은 질화 실리콘 등을 사용할 수 있다.
절연체(574)를 가짐으로써, 절연체(580)에 포함되는 물 및 수소 등의 불순물이 산화물(530c), 절연체(550)를 통하여 산화물(530b)로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(580)에 포함되는 과잉 산소에 의하여 도전체(560)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(580), 절연체(582), 및 절연체(584)는 층간막으로서 기능한다.
절연체(582)는 절연체(514)와 마찬가지로, 물 또는 수소 등의 불순물이 외부로부터 트랜지스터(510A)에 혼입되는 것을 억제하는 배리어 절연막으로서 기능하는 것이 바람직하다.
또한 절연체(580) 및 절연체(584)는 절연체(516)와 마찬가지로 절연체(582)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
또한 트랜지스터(510A)는 절연체(580), 절연체(582), 및 절연체(584)에 매립된 도전체(546) 등의 플러그나 배선을 통하여 다른 구조에 전기적으로 접속되어도 좋다.
또한 도전체(546)의 재료로서는 도전체(505)와 마찬가지로 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 예를 들어 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써, 배선 저항을 저감할 수 있다.
예를 들어 도전체(546)로서 수소 및 산소에 대한 배리어성을 갖는 도전체인 질화 탄탈럼 등과, 도전성이 높은 텅스텐의 적층 구조를 사용함으로써, 배선으로서의 도전성을 유지한 채, 외부로부터의 불순물의 확산을 억제할 수 있다.
상기 구조를 가짐으로써, 온 전류가 높은 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는 오프 전류가 낮은 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치를 제공할 수 있다. 또는 전기 특성의 변동이 억제되고, 안정적인 전기 특성을 가짐과 함께, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공할 수 있다.
<트랜지스터의 구조예 2>
도 7의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 트랜지스터(510B)의 구조예를 설명한다. 도 7의 (A)는 트랜지스터(510B)의 상면도이다. 도 7의 (B)는 도 7의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 7의 (C)는 도 7의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 7의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
트랜지스터(510B)는 트랜지스터(510A)의 변형예이다. 따라서 설명의 반복을 방지하기 위하여 트랜지스터(510A)와 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.
트랜지스터(510B)는 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))와 산화물(530c), 절연체(550), 및 도전체(560)가 중첩되는 영역을 갖는다. 상기 구조로 함으로써, 온 전류가 높은 트랜지스터를 제공할 수 있다. 또한 제어성이 높은 트랜지스터를 제공할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도전체(560a) 및 도전체(560a) 위의 도전체(560b)를 갖는다. 도전체(560a)에는 도전체(505a)와 마찬가지로 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(560b)의 재료 선택성을 향상시킬 수 있다. 즉, 도전체(560a)를 가짐으로써, 도전체(560b)의 산화가 억제되므로, 도전율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한 도전체(560)의 상면 및 측면, 절연체(550)의 측면, 및 산화물(530c)의 측면을 덮도록 절연체(574)를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 절연체(574)에는, 물 또는 수소 등의 불순물 및 산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 절연성 재료를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 산화 알루미늄 또는 산화 하프늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이 외에도, 예를 들어 산화 마그네슘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 또는 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물, 질화산화 실리콘, 혹은 질화 실리콘 등을 사용할 수 있다.
절연체(574)를 제공함으로써, 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 또한 절연체(574)를 가짐으로써, 절연체(580)에 포함되는 물 및 수소 등의 불순물이 트랜지스터(510B)로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한 도전체(546)와 절연체(580) 사이에 배리어성을 갖는 절연체(576)(절연체(576a) 및 절연체(576b))를 배치하여도 좋다. 절연체(576)를 제공함으로써, 절연체(580)의 산소가 도전체(546)와 반응하여 도전체(546)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
또한 배리어성을 갖는 절연체(576)를 제공함으로써, 플러그나 배선에 사용되는 도전체의 재료 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 예를 들어 산소를 흡수하는 성질을 가지면서도 도전성이 높은 금속 재료를 도전체(546)에 사용함으로써, 저소비 전력의 반도체 장치를 제공할 수 있다. 구체적으로는, 텅스텐이나 알루미늄 등 내산화성이 낮으면서도 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 또한 예를 들어 성막 또는 가공이 쉬운 도전체를 사용할 수 있다.
<트랜지스터의 구조예 3>
도 8의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 트랜지스터(510C)의 구조예를 설명한다. 도 8의 (A)는 트랜지스터(510C)의 상면도이다. 도 8의 (B)는 도 8의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 8의 (C)는 도 8의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 8의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
트랜지스터(510C)는 트랜지스터(510A)의 변형예이다. 따라서 설명의 반복을 방지하기 위하여 트랜지스터(510A)와 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.
도 8에 나타낸 트랜지스터(510C)에서는, 도전체(542a)와 산화물(530b) 사이에 도전체(547a)가 배치되고, 도전체(542b)와 산화물(530b) 사이에 도전체(547b)가 배치되어 있다. 여기서, 도전체(542a)(도전체(542b))는 도전체(547a)(도전체(547b))의 상면 및 도전체(560) 측의 측면을 넘어 연장되고, 산화물(530b)의 상면과 접하는 영역을 갖는다. 여기서, 도전체(547)로서는, 도전체(542)로서 사용할 수 있는 도전체를 사용하면 좋다. 또한 도전체(547)의 막 두께는 적어도 도전체(542)보다 두꺼운 것이 바람직하다.
도 8에 나타낸 트랜지스터(510C)에서는, 위와 같은 구성을 가짐으로써, 트랜지스터(510A)보다 도전체(542)를 도전체(560)에 가깝게 할 수 있다. 또는 도전체(542a)의 단부 및 도전체(542b)의 단부와 도전체(560)를 중첩시킬 수 있다. 이로써, 트랜지스터(510C)의 실질적인 채널 길이를 짧게 하고, 온 전류 및 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 도전체(547a)(도전체(547b))는 도전체(542a)(도전체(542b))와 중첩하여 제공되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 도전체(546a)(도전체(546b))를 매립하는 개구를 형성하는 에칭에서, 도전체(547a)(도전체(547b))가 스토퍼로서 기능하므로, 산화물(530b)이 오버 에칭되는 것을 방지할 수 있다.
또한 도 8에 나타낸 트랜지스터(510C)는, 절연체(544) 위에서 절연체(544)와 접하여 절연체(545)를 배치하는 구성으로 하여도 좋다. 절연체(544)는 물 또는 수소 등의 불순물이나 과잉 산소가 절연체(580) 측으로부터 트랜지스터(510C)에 혼입되는 것을 억제하는 배리어 절연막으로서 기능하는 것이 바람직하다. 절연체(545)로서는, 절연체(544)로서 사용할 수 있는 절연체를 사용할 수 있다. 또한 절연체(544)로서는, 예를 들어 질화 알루미늄, 질화 알루미늄 타이타늄, 질화 타이타늄, 질화 실리콘, 또는 질화산화 실리콘 등의 질화물 절연체를 사용하여도 좋다.
또한 도 8에 나타낸 트랜지스터(510C)에서는, 도 6에 나타낸 트랜지스터(510A)와는 달리, 도전체(505)를 단층 구조로 제공하여도 좋다. 이 경우, 패턴 형성된 도전체(505) 위에 절연체(516)가 되는 절연막을 성막하고, 상기 절연막의 상부를 도전체(505)의 상면이 노출될 때까지 CMP법 등을 사용하여 제거하면 좋다. 여기서, 도전체(505)의 상면의 평탄성을 양호하게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 도전체(505)의 상면의 평균 면 거칠기(Ra)를 1nm 이하, 바람직하게는 0.5nm 이하, 더 바람직하게는 0.3nm 이하로 하면 좋다. 이로써, 도전체(505) 위에 형성되는 절연층의 평탄성을 양호하게 하고, 산화물(530b) 및 산화물(530c)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
<트랜지스터의 구조예 4>
도 9의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 트랜지스터(510D)의 구조예를 설명한다. 도 9의 (A)는 트랜지스터(510D)의 상면도이다. 도 9의 (B)는 도 9의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 9의 (C)는 도 9의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 9의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
트랜지스터(510D)는 상기 트랜지스터의 변형예이다. 따라서 설명의 반복을 방지하기 위하여 상기 트랜지스터와 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.
도 9의 (A) 내지 (C)에서는, 도전체(503)를 제공하지 않고, 제 2 게이트로서의 기능을 갖는 도전체(505)를 배선으로서도 기능시켰다. 또한 산화물(530c) 위에 절연체(550)를 갖고, 절연체(550) 위에 금속 산화물(552)을 갖는다. 또한 금속 산화물(552) 위에 도전체(560)를 갖고, 도전체(560) 위에 절연체(570)를 갖는다. 또한 절연체(570) 위에 절연체(571)를 갖는다.
금속 산화물(552)은 산소의 확산을 억제하는 기능을 갖는 것이 바람직하다. 절연체(550)와 도전체(560) 사이에 산소의 확산을 억제하는 금속 산화물(552)을 제공함으로써, 도전체(560)로의 산소의 확산이 억제된다. 즉, 산화물(530)에 공급하는 산소량의 감소를 억제할 수 있다. 또한 산소로 인한 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다.
또한 금속 산화물(552)은 제 1 게이트의 일부로서의 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 산화물(530)로서 사용할 수 있는 산화물 반도체를 금속 산화물(552)로서 사용할 수 있다. 그 경우, 도전체(560)를 스퍼터링법에 의하여 성막함으로써, 금속 산화물(552)의 전기 저항값을 저하시켜 도전층(상술한 OC 전극)으로 할 수 있다.
또한 금속 산화물(552)은 게이트 절연막의 일부로서의 기능을 갖는 경우가 있다. 따라서 절연체(550)에 산화 실리콘이나 산화질화 실리콘 등을 사용하는 경우, 금속 산화물(552)로서는 비유전율이 높은 high-k 재료인 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 적층 구조로 함으로써, 열에 대하여 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조로 할 수 있다. 따라서 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시에 인가되는 게이트 전위를 저감할 수 있다. 또한 게이트 절연막으로서 기능하는 절연층의 등가 산화막 두께(EOT)를 저감할 수 있다.
트랜지스터(510D)의 금속 산화물(552)을 단층으로 나타내었지만, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 게이트 전극의 일부로서 기능하는 금속 산화물과, 게이트 절연막의 일부로서 기능하는 금속 산화물을 적층하여 제공하여도 좋다.
금속 산화물(552)이 게이트 전극으로서 기능하는 경우에는, 도전체(560)로부터의 전계의 영향을 감소시키지 않고, 트랜지스터(510D)의 온 전류를 향상시킬 수 있다. 또는 게이트 절연막으로서 기능하는 경우에는, 절연체(550)와 금속 산화물(552)의 물리적인 두께에 의하여 도전체(560)와 산화물(530) 사이의 거리를 유지함으로써, 도전체(560)와 산화물(530) 사이의 누설 전류를 억제할 수 있다. 따라서 절연체(550) 및 금속 산화물(552)의 적층 구조를 제공함으로써, 도전체(560)와 산화물(530) 사이의 물리적인 거리, 및 도전체(560)로부터 산화물(530)에 가해지는 전계 강도를 용이하게 적절히 조정할 수 있다.
구체적으로는, 산화물(530)에 사용할 수 있는 산화물 반도체를 저저항화시킴으로써, 금속 산화물(552)로서 사용할 수 있다. 또는 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히, 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함한 절연체인, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄막보다 내열성이 높다. 그러므로 추후의 공정에서의 열처리에서 결정화되기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 금속 산화물(552)은 필수적인 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
절연체(570)에는, 물 또는 수소 등의 불순물 및 산소의 투과를 억제하는 기능을 갖는 절연성 재료를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 산화 알루미늄 또는 산화 하프늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이로써, 절연체(570)보다 위쪽으로부터의 산소로 인하여 도전체(560)가 산화되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(570)보다 위쪽으로부터의 물 또는 수소 등의 불순물이 도전체(560) 및 절연체(550)를 통하여 산화물(530)에 혼입되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(571)는 하드 마스크로서 기능한다. 절연체(571)를 제공함으로써, 도전체(560)를 가공할 때, 도전체(560)의 측면을 실질적으로 수직으로, 구체적으로는 도전체(560)의 측면과 기판 표면이 이루는 각을 75° 이상 100° 이하, 바람직하게는 80° 이상 95° 이하로 할 수 있다.
또한 절연체(571)에 물 또는 수소 등의 불순물 및 산소의 투과를 억제하는 기능을 갖는 절연성 재료를 사용함으로써, 배리어층으로서의 기능을 겸하게 하여도 좋다. 이 경우, 절연체(570)는 제공하지 않아도 된다.
절연체(571)를 하드 마스크로서 사용하여, 절연체(570), 도전체(560), 금속 산화물(552), 절연체(550), 및 산화물(530c)의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 이들의 측면을 실질적으로 일치시키고, 또한 산화물(530b)의 표면의 일부를 노출시킬 수 있다.
또한 트랜지스터(510D)는 노출된 산화물(530b)의 표면의 일부에 영역(531a) 및 영역(531b)을 갖는다. 영역(531a) 및 영역(531b) 중 한쪽은 소스 영역으로서 기능하고, 다른 쪽은 드레인 영역으로서 기능한다.
영역(531a) 및 영역(531b)의 형성은, 예를 들어 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라스마 잠입 이온 주입법, 또는 플라스마 처리 등을 사용하여, 노출된 산화물(530b)의 표면에 인 또는 보론 등의 불순물 원소를 도입함으로써 실현할 수 있다. 또한 본 실시형태 등에서 "불순물 원소"란, 주성분 원소 이외의 원소를 말한다.
또한 산화물(530b)의 표면의 일부를 노출시킨 후에 금속막을 성막하고, 그 후에 가열 처리를 함으로써, 상기 금속막에 포함되는 원소를 산화물(530b)로 확산시켜 영역(531a) 및 영역(531b)을 형성할 수도 있다.
산화물(530b)에서 불순물 원소가 도입된 영역은 전기 저항률이 저하된다. 그러므로 영역(531a) 및 영역(531b)을 "불순물 영역" 또는 "저저항 영역"이라고 하는 경우가 있다.
절연체(571) 및/또는 도전체(560)를 마스크로서 사용함으로써, 영역(531a) 및 영역(531b)을 자기 정합(셀프 얼라인먼트)적으로 형성할 수 있다. 따라서 영역(531a) 및/또는 영역(531b)과 도전체(560)가 중첩되지 않아, 기생 용량을 저감할 수 있다. 또한 채널 형성 영역과 소스 드레인 영역(영역(531a) 또는 영역(531b)) 사이에 오프셋 영역이 형성되지 않는다. 영역(531a) 및 영역(531b)을 자기 정합(셀프 얼라인먼트)적으로 형성함으로써, 온 전류의 증가, 문턱 전압의 저감, 동작 주파수의 향상 등을 실현할 수 있다.
또한 오프 전류를 더 저감하기 위하여 채널 형성 영역과 소스 드레인 영역 사이에 오프셋 영역을 제공하여도 좋다. 오프셋 영역은 전기 저항률이 높은 영역이고, 상술한 불순물 원소가 도입되지 않는 영역이다. 오프셋 영역의 형성은 절연체(575)의 형성 후에 상술한 불순물 원소를 도입함으로써 실현할 수 있다. 이 경우, 절연체(575)도 절연체(571) 등과 마찬가지로 마스크로서 기능한다. 따라서 산화물(530b)에서 절연체(575)와 중첩되는 영역에 불순물 원소가 도입되지 않아, 상기 영역의 전기 저항률을 높게 유지할 수 있다.
또한 트랜지스터(510D)는 절연체(570), 도전체(560), 금속 산화물(552), 절연체(550), 및 산화물(530c)의 측면에 절연체(575)를 갖는다. 절연체(575)는 비유전율이 낮은 절연체인 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 갖는 산화 실리콘, 또는 수지 등인 것이 바람직하다. 특히 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 공공을 갖는 산화 실리콘을 절연체(575)에 사용하면, 추후의 공정에서 절연체(575) 내에 과잉 산소 영역을 용이하게 형성할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 바람직하다. 또한 절연체(575)는 산소를 확산시키는 기능을 갖는 것이 바람직하다.
또한 트랜지스터(510D)는 절연체(575), 산화물(530) 위에 절연체(574)를 갖는다. 절연체(574)는 스퍼터링법을 사용하여 성막하는 것이 바람직하다. 스퍼터링법을 사용함으로써, 물 또는 수소 등의 불순물이 적은 절연체를 성막할 수 있다. 예를 들어 절연체(574)로서 산화 알루미늄을 사용하는 것이 좋다.
또한 스퍼터링법을 사용한 산화막은 피성막 구조체로부터 수소를 추출하는 경우가 있다. 따라서 절연체(574)가 산화물(530) 및 절연체(575)로부터 수소 및 물을 흡수함으로써, 산화물(530) 및 절연체(575)의 수소 농도를 저감할 수 있다.
<트랜지스터의 구조예 5>
도 10의 (A) 내지 (C)를 사용하여 트랜지스터(510E)의 구조예를 설명한다. 도 10의 (A)는 트랜지스터(510E)의 상면도이다. 도 10의 (B)는 도 10의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 10의 (C)는 도 10의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 10의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
트랜지스터(510E)는 상기 트랜지스터의 변형예이다. 따라서 설명의 반복을 방지하기 위하여 상기 트랜지스터와 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.
도 10의 (A) 내지 (C)에서는 도전체(542)를 제공하지 않고, 노출된 산화물(530b)의 표면의 일부에 영역(531a) 및 영역(531b)을 갖는다. 영역(531a) 및 영역(531b) 중 한쪽은 소스 영역으로서 기능하고, 다른 쪽은 드레인 영역으로서 기능한다. 또한 산화물(530b)과 절연체(574) 사이에 절연체(573)를 갖는다.
도 10에 나타낸 영역(531)(영역(531a) 및 영역(531b))은 산화물(530b)에 후술하는 원소가 첨가된 영역이다. 영역(531)은 예를 들어 더미 게이트를 사용함으로써 형성할 수 있다.
구체적으로는, 산화물(530b) 위에 더미 게이트를 제공하고, 상기 더미 게이트를 마스크로서 사용하여 상기 산화물(530b)을 저저항화시키는 원소를 첨가하는 것이 좋다. 즉, 산화물(530)이 더미 게이트와 중첩되지 않은 영역에 상기 원소가 첨가되어 영역(531)이 형성된다. 또한 상기 원소의 첨가 방법으로서는 이온화된 원료 가스를 질량 분리하여 첨가하는 이온 주입법, 이온화된 원료 가스를 질량 분리하지 않고 첨가하는 이온 도핑법, 플라스마 잠입 이온 주입법 등을 사용할 수 있다.
또한 산화물(530)을 저저항화시키는 원소로서는 대표적으로는 붕소 또는 인을 들 수 있다. 또한 수소, 탄소, 질소, 플루오린, 황, 염소, 타이타늄, 희가스 등을 사용하여도 좋다. 희가스의 대표적인 예로서는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및 제논 등이 있다. 상기 원소의 농도는 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry) 등을 사용하여 측정하면 좋다.
특히 붕소 및 인은 비정질 실리콘 또는 저온 폴리실리콘의 제조 라인의 장치를 사용할 수 있기 때문에 바람직하다. 기존의 설비를 전용할 수 있기 때문에, 설비 투자를 억제할 수 있다.
이어서, 산화물(530b) 및 더미 게이트 위에 절연체(573)가 되는 절연막 및 절연체(574)가 되는 절연막을 성막하여도 좋다. 절연체(573)가 되는 절연막 및 절연체(574)가 되는 절연막을 적층하여 제공함으로써, 영역(531)과 산화물(530c) 및 절연체(550)가 중첩되는 영역을 제공할 수 있다.
구체적으로는, 절연체(574)가 되는 절연막 위에 절연체(580)가 되는 절연막을 제공한 후, 절연체(580)가 되는 절연막에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 수행함으로써, 절연체(580)가 되는 절연막의 일부를 제거하여 더미 게이트를 노출시킨다. 이어서, 더미 게이트를 제거할 때, 더미 게이트와 접하는 절연체(573)의 일부도 제거하는 것이 좋다. 따라서 절연체(580)에 제공된 개구부의 측면에서는 절연체(574) 및 절연체(573)가 노출되고, 상기 개구부의 밑면에서는 산화물(530b)에 제공된 영역(531)의 일부가 노출된다. 다음으로, 상기 개구부에 산화물(530c)이 되는 산화막, 절연체(550)가 되는 절연막, 및 도전체(560)가 되는 도전막을 순차적으로 성막한 후, 절연체(580)가 노출될 때까지 CMP 처리 등에 의하여, 산화물(530c)이 되는 산화막, 절연체(550)가 되는 절연막, 및 도전체(560)가 되는 도전막의 일부를 제거함으로써, 도 10에 나타낸 트랜지스터를 형성할 수 있다.
또한 절연체(573) 및 절연체(574)는 필수적인 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
도 10에 나타낸 트랜지스터에는 기존의 장치를 전용할 수 있고, 또한 도전체(542)가 제공되지 않기 때문에, 비용을 절감할 수 있다.
<트랜지스터의 구조예 6>
도 11의 (A) 내지 (C)를 사용하여 트랜지스터(510F)의 구조예를 설명한다. 도 11의 (A)는 트랜지스터(510F)의 상면도이다. 도 11의 (B)는 도 11의 (A)에서 일점쇄선 L1-L2로 나타낸 부분의 단면도이다. 도 11의 (C)는 도 11의 (A)에서 일점쇄선 W1-W2로 나타낸 부분의 단면도이다. 또한 도 11의 (A)의 상면도에서는, 도면의 명료화를 위하여 일부의 요소를 생략하여 도시하였다.
트랜지스터(510F)는 트랜지스터(510A)의 변형예이다. 따라서 설명의 반복을 방지하기 위하여 상기 트랜지스터와 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.
트랜지스터(510A)에서는, 절연체(574)의 일부가 절연체(580)에 제공된 개구부 내에 제공되고, 도전체(560)의 측면을 덮도록 제공되어 있다. 한편, 트랜지스터(510F)에서는 절연체(580)와 절연체(574)의 일부를 제거하여 개구가 형성되어 있다.
또한 도전체(546)와 절연체(580) 사이에 배리어성을 갖는 절연체(576)(절연체(576a) 및 절연체(576b))를 배치하여도 좋다. 절연체(576)를 제공함으로써, 절연체(580)의 산소가 도전체(546)와 반응하여 도전체(546)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
또한 산화물(530)로서 산화물 반도체를 사용하는 경우에는, 각 금속 원자의 원자수비가 상이한 복수의 산화물층의 적층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서, 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서, In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서, 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)로서는 산화물(530a) 또는 산화물(530b)로서 사용할 수 있는 금속 산화물을 사용할 수 있다.
산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)은 결정성을 갖는 것이 바람직하고, 특히 CAAC-OS를 사용하는 것이 바람직하다. CAAC-OS 등 결정성을 갖는 산화물은 불순물이나 결함(산소 결손 등)이 적고 결정성이 높은 치밀한 구조를 갖는다. 따라서 소스 전극 또는 드레인 전극에 의한 산화물(530b)로부터의 산소 추출을 억제할 수 있다. 이에 의하여, 열처리를 수행한 경우에도 산화물(530b)로부터 산소가 추출되는 것을 저감할 수 있기 때문에, 트랜지스터(510F)는 제조 공정에서의 높은 온도(소위 thermal budget)에 대하여 안정적이다.
또한 산화물(530a) 및 산화물(530c) 중 한쪽 또는 양쪽을 생략하여도 좋다. 산화물(530)을 산화물(530b)의 단층으로 하여도 좋다. 산화물(530)을 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 적층으로 하는 경우에는, 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전도대 하단의 에너지가 산화물(530b)의 전도대 하단의 에너지보다 높은 것이 바람직하다. 또한 바꿔 말하면, 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전자 친화력이 산화물(530b)의 전자 친화력보다 작은 것이 바람직하다. 이 경우, 산화물(530c)에는 산화물(530a)에 사용할 수 있는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물(530c)에 사용하는 금속 산화물에서, 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)에 사용하는 금속 산화물에서, In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서, 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530c)에 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다.
여기서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서 전도대 하단의 에너지 준위는 완만하게 변화된다. 바꿔 말하면, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고도 할 수 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는, 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이 산소 이외에 공통의 원소를 포함함으로써(주성분으로 함으로써), 결함 준위 밀도가 낮은 혼합층을 형성할 수 있다. 예를 들어 산화물(530b)이 In-Ga-Zn 산화물인 경우, 산화물(530a) 및 산화물(530c)로서 In-Ga-Zn 산화물, Ga-Zn 산화물, 산화 갈륨 등을 사용하여도 좋다. 또한 산화물(530c)을 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 In-Ga-Zn 산화물과 상기 In-Ga-Zn 산화물 위의 Ga-Zn 산화물의 적층 구조, 또는 In-Ga-Zn 산화물과 상기 In-Ga-Zn 산화물 위의 산화 갈륨의 적층 구조를 사용할 수 있다. 바꿔 말하면, In-Ga-Zn 산화물과 In을 포함하지 않는 산화물의 적층 구조를 산화물(530c)에 사용하여도 좋다.
구체적으로는 산화물(530a)로서, In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비] 또는 1:1:0.5[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530b)로서, In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비] 또는 3:1:2[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530c)로서, In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비], In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비], Ga:Zn=2:1[원자수비], 또는 Ga:Zn=2:5[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530c)을 적층 구조로 하는 경우의 구체적인 예로서는, In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]과 Ga:Zn=2:1[원자수비]의 적층 구조, In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]과 Ga:Zn=2:5[원자수비]의 적층 구조, In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]과 산화 갈륨의 적층 구조 등을 들 수 있다.
이때, 캐리어의 주된 경로는 산화물(530b)이다. 산화물(530a), 산화물(530c)을 상술한 구성으로 함으로써, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮출 수 있다. 따라서 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아지므로, 트랜지스터(510F)는 높은 온 전류 및 높은 주파수 특성을 얻을 수 있다. 또한 산화물(530c)을 적층 구조로 한 경우, 상술한 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮추는 효과에 더하여, 산화물(530c)에 포함되는 구성 원소가 절연체(550) 측으로 확산되는 것을 억제하는 것이 기대된다. 더 구체적으로는 산화물(530c)을 적층 구조로 하고, In을 포함하지 않는 산화물을 적층 구조의 위쪽에 위치하게 하기 때문에 절연체(550) 측으로 확산될 수 있는 In을 억제할 수 있다. 절연체(550)는 게이트 절연체로서 기능하기 때문에, In이 확산된 경우 트랜지스터는 특성 불량을 일으킨다. 따라서 산화물(530c)을 적층 구조로 함으로써, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공할 수 있다.
산화물(530)로서는 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물(530)의 채널 형성 영역이 되는 금속 산화물로서는, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 밴드 갭이 넓은 금속 산화물을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다. 이와 같은 트랜지스터를 사용함으로써, 저소비 전력의 반도체 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 실시형태는 본 명세서에 기재되는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 OS 트랜지스터에 사용할 수 있는 금속 산화물의 구성에 대하여 설명한다.
<금속 산화물의 구성>
본 명세서 등에서, CAAC(c-axis aligned crystal) 및 CAC(Cloud-Aligned Composite)라고 기재하는 경우가 있다. 또한 CAAC는 결정 구조의 일례를 나타내고, CAC는 기능 또는 재료의 구성의 일례를 나타낸다.
CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 재료의 일부에서는 도전성의 기능을 갖고, 재료의 일부에서는 절연성의 기능을 갖고, 재료의 전체에서는 반도체로서의 기능을 갖는다. 또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용하는 경우, 도전성의 기능은 캐리어가 되는 전자(또는 홀)를 흘리는 기능이고, 절연성의 기능은 캐리어가 되는 전자를 흘리지 않는 기능이다. 도전성의 기능과 절연성의 기능을 각각 상보적으로 작용시킴으로써, 스위칭 기능(On/Off시키는 기능)을 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에 부여할 수 있다. CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에서 각각의 기능을 분리시킴으로써, 양쪽의 기능을 최대한 높일 수 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 도전성 영역 및 절연성 영역을 갖는다. 도전성 영역은 상술한 도전성의 기능을 갖고, 절연성 영역은 상술한 절연성의 기능을 갖는다. 또한 재료 내에서 도전성 영역과 절연성 영역은 나노 입자 레벨로 분리되어 있는 경우가 있다. 또한 도전성 영역과 절연성 영역은 각각 재료 내에 편재하는 경우가 있다. 또한 도전성 영역은 주변이 흐릿해져 클라우드상으로 연결되어 관찰되는 경우가 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에서 도전성 영역과 절연성 영역은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 0.5nm 이상 3nm 이하의 크기로 재료 내에 분산되어 있는 경우가 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 상이한 밴드 갭을 갖는 성분으로 구성된다. 예를 들어 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 절연성 영역에 기인하는 와이드 갭을 갖는 성분과 도전성 영역에 기인하는 내로 갭을 갖는 성분으로 구성된다. 상기 구성의 경우, 캐리어를 흘릴 때 내로 갭을 갖는 성분에서 주로 캐리어가 흐른다. 또한 내로 갭을 갖는 성분이 와이드 갭을 갖는 성분에 상보적으로 작용하고, 내로 갭을 갖는 성분과 연동하여 와이드 갭을 갖는 성분에도 캐리어가 흐른다. 그러므로 상기 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용하는 경우, 트랜지스터의 온 상태에서 높은 전류 구동력, 즉 큰 온 전류 및 높은 전계 효과 이동도를 얻을 수 있다.
즉, CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 매트릭스 복합재(matrix composite) 또는 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite)라고 부를 수도 있다.
<금속 산화물의 구조>
산화물 반도체는 단결정 산화물 반도체와, 이 외의 비단결정 산화물 반도체로 나누어진다. 비단결정 산화물 반도체로서는 예를 들어 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 반도체 등이 있다.
트랜지스터의 반도체에 사용하는 산화물 반도체로서, 결정성이 높은 박막을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 박막을 사용함으로써, 트랜지스터의 안정성 또는 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 상기 박막으로서는, 예를 들어 단결정 산화물 반도체의 박막 또는 다결정 산화물 반도체의 박막이 있다. 그러나 단결정 산화물 반도체의 박막 또는 다결정 산화물 반도체의 박막을 기판 위에 형성하기 위해서는, 고온 또는 레이저 가열의 공정이 필요하다. 따라서 제조 공정의 비용이 증가하고, 또한 스루풋도 저하된다.
2009년에 CAAC 구조를 갖는 In-Ga-Zn 산화물(CAAC-IGZO라고 부름)이 발견된 것이 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에서 보고되어 있다. 여기서는, CAAC-IGZO는 c축 배향성을 갖고, 결정립계가 명확히 확인되지 않고, 저온에서 기판 위에 형성 가능하다는 것이 보고되어 있다. 또한 CAAC-IGZO를 사용한 트랜지스터는 전기 특성 및 신뢰성이 우수하다는 것이 보고되어 있다.
또한 2013년에는 nc 구조를 갖는 In-Ga-Zn 산화물(nc-IGZO라고 부름)이 발견되었다(비특허문헌 3 참조). 여기서는, nc-IGZO는 미소한 영역(예를 들어 1nm 이상 3nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 갖고, 상이한 상기 영역 사이에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다는 것이 보고되어 있다.
비특허문헌 4 및 비특허문헌 5에서는, 상기 CAAC-IGZO, nc-IGZO, 및 결정성이 낮은 IGZO의 각각의 박막에 대한 전자선 조사에 의한 평균 결정 크기의 추이(推移)가 나타나 있다. 결정성이 낮은 IGZO의 박막에서는, 전자선이 조사되기 전에도 1nm 정도의 결정 크기의 결정성 IGZO가 관찰되었다. 따라서 여기서는 IGZO에서 완전한 비정질 구조(completely amorphous structure)의 존재가 확인되지 않았다는 것이 보고되어 있다. 또한 결정성이 낮은 IGZO의 박막에 비하여, CAAC-IGZO의 박막 및 nc-IGZO의 박막은 전자선 조사에 대한 안정성이 높다는 것이 나타나 있다. 따라서 트랜지스터의 반도체로서 CAAC-IGZO의 박막 또는 nc-IGZO의 박막을 사용하는 것이 바람직하다.
CAAC-OS는 c축 배향성을 갖고, 또한 a-b면 방향에서 복수의 나노 결정이 연결되고, 변형을 갖는 결정 구조이다. 또한 변형이란, 복수의 나노 결정이 연결되는 영역에서, 격자 배열이 정렬된 영역과 격자 배열이 정렬된 다른 영역 사이에서 격자 배열의 방향이 변화되는 부분을 가리킨다.
나노 결정은 기본적으로 육각형이지만, 정육각형에 한정되지 않고 비정육각형인 경우가 있다. 또한 변형에서 오각형 및 칠각형 등의 격자 배열을 갖는 경우가 있다. 또한 CAAC-OS의 변형 근방에서도 명확한 결정립계(그레인 바운더리라고도 함)를 확인할 수 없다. 즉, 격자 배열의 변형에 의하여 결정립계의 형성이 억제된다는 것을 알 수 있다. 이는, CAAC-OS가, a-b면 방향에서 산소 원자의 배열이 조밀하지 않거나, 금속 원소가 치환됨으로써 원자 사이의 결합 거리가 변화되는 것 등에 의하여, 변형을 허용할 수 있기 때문이라고 생각된다.
또한 CAAC-OS는 인듐 및 산소를 포함한 층(이하 In층)과 원소 M, 아연, 및 산소를 포함한 층(이하 (M, Zn)층)이 적층된 층상의 결정 구조(층상 구조라고도 함)를 갖는 경향이 있다. 또한 인듐과 원소 M은 서로 치환될 수 있고, (M, Zn)층의 원소 M이 인듐과 치환된 경우, (In, M, Zn)층이라고 나타낼 수도 있다. 또한 In층의 인듐이 원소 M과 치환된 경우, (In, M)층이라고 나타낼 수도 있다.
CAAC-OS는 결정성이 높은 산화물 반도체이다. 한편, CAAC-OS에서는 명확한 결정립계를 확인할 수 없기 때문에, 결정립계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 일어나기 어렵다고 할 수 있다. 또한 산화물 반도체의 결정성은 불순물의 혼입이나 결함의 생성 등으로 인하여 저하되는 경우가 있기 때문에, CAAC-OS는 불순물이나 결함(산소 결손 등)이 적은 산화물 반도체라고 할 수도 있다. 따라서 CAAC-OS를 갖는 산화물 반도체는 물리적 성질이 안정된다. 그러므로 CAAC-OS를 갖는 산화물 반도체는 열에 강하고 신뢰성이 높다. 또한 CAAC-OS는 제조 공정에서의 높은 온도(소위 thermal budget)에 대해서도 안정적이다. 따라서 OS 트랜지스터에 CAAC-OS를 사용하면, 제조 공정의 자유도를 높일 수 있다.
nc-OS는 미소한 영역(예를 들어 1nm 이상 10nm 이하의 영역, 특히 1nm 이상 3nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 갖는다. 또한 nc-OS는 상이한 나노 결정 사이에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다. 따라서 막 전체에서 배향성이 보이지 않는다. 그러므로 nc-OS는 분석 방법에 따라서는 a-like OS나 비정질 산화물 반도체와 구별할 수 없는 경우가 있다.
a-like OS는 nc-OS와 비정질 산화물 반도체의 중간의 구조를 갖는 산화물 반도체이다. a-like OS는 공동(void) 또는 저밀도 영역을 갖는다. 즉, a-like OS는 nc-OS 및 CAAC-OS에 비하여 결정성이 낮다.
산화물 반도체는 다양한 구조를 취하고, 각각이 상이한 특성을 갖는다. 본 발명의 일 형태의 산화물 반도체에는 비정질 산화물 반도체, 다결정 산화물 반도체, a-like OS, nc-OS, CAAC-OS 중 2종류 이상이 포함되어도 좋다.
<산화물 반도체를 갖는 트랜지스터>
이어서, 상기 산화물 반도체를 트랜지스터에 사용하는 경우에 대하여 설명한다.
상기 산화물 반도체를 트랜지스터에 사용함으로써, 전계 효과 이동도가 높은 트랜지스터를 실현할 수 있다. 또한 신뢰성이 높은 트랜지스터를 실현할 수 있다.
또한 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는, 비도통 상태에서 누설 전류가 매우 낮고, 구체적으로는 트랜지스터의 채널 폭 1μm당 오프 전류가 yA/μm(10-24A/μm) 오더인 것이 비특허문헌 6에 나타나 있다. 예를 들어 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 응용한 저소비 전력의 CPU 등이 개시되어 있다(비특허문헌 7 참조).
또한 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 이용한, 상기 트랜지스터의 표시 장치로의 응용이 보고되어 있다(비특허문헌 8 참조). 표시 장치에서는 표시되는 화상이 1초에 수십 번 전환된다. 1초당 화상 전환 횟수는 리프레시 레이트라고 불린다. 또한 리프레시 레이트를 구동 주파수라고 부르는 경우도 있다. 사람의 눈으로 지각하기 어려운 이와 같은 고속 화면 전환이 눈의 피로의 원인으로 생각되고 있다. 그러므로 표시 장치의 리프레시 레이트를 저하시켜, 화상의 재기록 횟수를 줄이는 것이 제안되어 있다. 또한 리프레시 레이트를 저하시킨 구동에 의하여, 표시 장치의 소비 전력을 저감할 수 있다. 이와 같은 구동 방법을 아이들링 스톱(idling stop(IDS)) 구동이라고 부른다.
또한 트랜지스터에는 캐리어 농도가 낮은 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 산화물 반도체막의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는, 산화물 반도체막 내의 불순물 농도를 낮추고, 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다. 본 명세서 등에서, 불순물 농도가 낮고, 결함 준위 밀도가 낮은 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 한다.
또한 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체막은 결함 준위 밀도가 낮기 때문에 트랩 준위 밀도도 낮아지는 경우가 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 사용할 수 있는 산화물 반도체의 캐리어 농도에 대해서는 실시형태 2에 기재된 범위로 하면 좋다.
또한 산화물 반도체의 트랩 준위에 포획된 전하는, 소실되는 데 걸리는 시간이 길고, 마치 고정 전하처럼 작용하는 경우가 있다. 그러므로 트랩 준위 밀도가 높은 산화물 반도체에 채널 형성 영역이 형성되는 트랜지스터는 전기 특성이 불안정해지는 경우가 있다.
따라서 트랜지스터의 전기 특성을 안정적으로 하기 위해서는, 산화물 반도체 내의 불순물 농도를 저감하는 것이 유효하다. 또한 산화물 반도체 내의 불순물 농도를 저감하기 위해서는, 근접한 막 내의 불순물 농도도 저감하는 것이 바람직하다. 불순물로서는 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다.
<불순물>
여기서, 산화물 반도체 내에서의 각 불순물의 영향에 대하여 설명한다.
산화물 반도체에 14족 원소 중 하나인 실리콘이나 탄소가 포함되면, 산화물 반도체에서 결함 준위가 형성된다. 그러므로 산화물 반도체에서의 실리콘이나 탄소의 농도와 산화물 반도체와의 계면 근방의 실리콘이나 탄소의 농도(이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 얻어지는 농도)를 2×1018atoms/cm3 이하, 바람직하게는 2×1017atoms/cm3 이하로 한다.
또한 산화물 반도체에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 포함되면, 결함 준위를 형성하여 캐리어를 생성하는 경우가 있다. 따라서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 포함되는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다. 그러므로 산화물 반도체 내의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 농도를 저감하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, SIMS에 의하여 얻어지는 산화물 반도체 내의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 농도를 1×1018atoms/cm3 이하, 바람직하게는 2×1016atoms/cm3 이하로 한다.
또한 산화물 반도체에 질소가 포함되면, 캐리어인 전자가 발생하고 캐리어 농도가 증가되어 n형화되기 쉽다. 그러므로 질소가 포함되는 산화물 반도체를 반도체에 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다. 따라서 상기 산화물 반도체에서 질소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물 반도체 내의 질소 농도는 SIMS에서 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 한다.
또한 산화물 반도체에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합하는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 산소 결손을 형성하는 경우가 있다. 상기 산소 결손에 수소가 들어감으로써, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합하는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자를 생성하는 경우가 있다. 따라서 수소가 포함되는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 갖기 쉽다. 그러므로 산화물 반도체 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물 반도체에서 SIMS에 의하여 얻어지는 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다.
불순물이 충분히 저감된 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
CAAC 구조 및 nc 구조의 발견은 CAAC 구조 또는 nc 구조를 갖는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기 특성 및 신뢰성의 향상, 그리고 제조 공정의 비용 절감 및 스루풋의 향상에 기여하고 있다. 또한 상기 트랜지스터의 누설 전류가 낮다는 특성을 이용한, 상기 트랜지스터의 표시 장치 및 LSI로의 응용 연구가 이루어지고 있다.
또한 본 실시형태는 본 명세서에 기재되는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시예)
본 실시예에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 반도체 장치(100)의 배선(VBP_IN)에, 지그를 사용하여 생성한 전위(VC)를 공급하고, 출력 단자(S_OUT)로부터 출력되는 전위와의 관계를 조사하였다.
전위(VC)는 이차 전지의 양극 전위(VBP)를 모방한 전위이고, 가끔 마이크로 단락에 상당하는 전위 강하(도 12의 (B)에서는 "MS"라고 표기함)를 일으킨다. 또한 배선(VBM_IN)에 공급되는 전위는 0V로 하고, 노드(N11)와 노드(N12)의 전위차가 40mV가 되도록 전위(VB1)와 전위(VB2)를 설정하였다.
또한 실제로는 출력 단자(S_OUT)로부터 출력되는 전위를 증폭하기 위하여, 출력 단자(S_OUT)로부터 출력되는 전위를 인버터(60)에 입력하고, 인버터(60)로부터 출력되는 전위(MSSENSE)를 오실로스코프를 사용하여 측정하였다(도 12의 (A) 참조).
도 12의 (B)에 오실로스코프를 사용하여 측정한 결과를 나타내었다. 도 12의 (B)에서 가로축은 시간(도 12의 (B)에서는 "time(s)"라고 표기함)을 나타내고, 세로축은 전위를 나타낸다. 또한 도 12의 (B)에서는 오른쪽의 세로축에 전위(VC)(도 12의 (B)에서는 "VC(V)"라고 표기함)를 나타내고, 왼쪽의 세로축에 전위(MSSENSE)(도 12의 (B)에서는 "MSSENSE(V)"라고 표기함)를 나타내었다.
도 12의 (B)에서는, 마이크로 단락에 상당하는 전위 강하를 50mV로 하였다. 즉, 전위(VC)는 약 4V이지만, 가끔 50mV 낮은 전위가 된다. 또한 전위(MSSENSE)는 보통 하이 레벨의 전위이지만, 전위(VC)가 50mV 낮은 전위가 되었을 때, 로 레벨의 전위가 된다는 것이 도 12의 (B)로부터 알 수 있다.
전위(MSSENSE)는 인버터(60)로부터 출력되는 전위이기 때문에, 출력 단자(S_OUT)로부터 출력되는 전위의 논리가 반전된 전위이다. 즉, 출력 단자(S_OUT)로부터 출력되는 전위는 도 3의 (E)에 나타낸 타이밍 차트와 같다는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 기재된 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를 본 명세서에 기재된 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
C11: 용량 소자, CM0_IN: 입력 단자, CM1_IN: 입력 단자, CM1_OUT: 출력 단자, CP0_IN: 입력 단자, CP0_OUT: 출력 단자, CP1_IN: 입력 단자, CP1_OUT: 출력 단자, MSSENSE: 전위, N11: 노드, N12: 노드, N13: 노드, R11: 저항 소자, R12: 저항 소자, VB1: 전위, VB1_IN: 배선, VB2: 전위, VB2_IN: 배선, VB3: 전위, VB3_IN: 배선, VC: 전위, VD1: 초기 전위, 11: 트랜지스터, 12: 트랜지스터, 13: 트랜지스터, 14: 트랜지스터, 15: 트랜지스터, 21: 트랜지스터, 22: 트랜지스터, 23: 트랜지스터, 24: 트랜지스터, 25: 트랜지스터, 26: 트랜지스터, 27: 트랜지스터, 28: 트랜지스터, 29: 트랜지스터, 50: 콤퍼레이터, 60: 인버터, 51: 증폭기, 100: 반도체 장치, 300: 트랜지스터, 311: 기판, 313: 반도체 영역, 314a: 저저항 영역, 314b: 저저항 영역, 315: 절연체, 316: 도전체, 320: 절연체, 322: 절연체, 324: 절연체, 326: 절연체, 328: 도전체, 330: 도전체, 350: 절연체, 352: 절연체, 354: 절연체, 356: 도전체, 360: 절연체, 362: 절연체, 364: 절연체, 366: 도전체, 370: 절연체, 372: 절연체, 374: 절연체, 376: 도전체, 380: 절연체, 382: 절연체, 384: 절연체, 386: 도전체, 500: 트랜지스터, 503: 도전체, 503a: 도전체, 503b: 도전체, 505: 도전체, 505a: 도전체, 505b: 도전체, 510: 절연체, 510A: 트랜지스터, 510B: 트랜지스터, 510C: 트랜지스터, 510D: 트랜지스터, 510E: 트랜지스터, 510F: 트랜지스터, 511: 절연체, 512: 절연체, 514: 절연체, 516: 절연체, 518: 도전체, 520: 절연체, 521: 절연체, 522: 절연체, 524: 절연체, 530: 산화물, 530a: 산화물, 530b: 산화물, 530c: 산화물, 531: 영역, 531a: 영역, 531b: 영역, 540a: 도전체, 540b: 도전체, 542: 도전체, 542a: 도전체, 542b: 도전체, 543: 영역, 543a: 영역, 543b: 영역, 544: 절연체, 545: 절연체, 546: 도전체, 546a: 도전체, 546b: 도전체, 547: 도전체, 547a: 도전체, 547b: 도전체, 548: 도전체, 550: 절연체, 552: 금속 산화물, 560: 도전체, 560a: 도전체, 560b: 도전체, 570: 절연체, 571: 절연체, 573: 절연체, 574: 절연체, 575: 절연체, 576: 절연체, 576a: 절연체, 576b: 절연체, 580: 절연체, 581: 절연체, 582: 절연체, 584: 절연체, 586: 절연체, 600: 용량 소자, 610: 도전체, 612: 도전체, 620: 도전체, 630: 절연체, 650: 절연체
Claims (10)
- 반도체 장치로서,
제 1 소스 폴로어와,
제 2 소스 폴로어와,
트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터를 갖고,
상기 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 1 소스 폴로어의 출력은 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력되고,
상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 소스 폴로어의 출력은 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력되는, 반도체 장치. - 반도체 장치로서,
제 1 소스 폴로어와,
제 2 소스 폴로어와,
트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터를 갖고,
상기 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 1 전위는 상기 제 2 전위보다 높은 전위이고,
상기 제 1 소스 폴로어의 출력은 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력되고,
상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 소스 폴로어의 출력은 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력되는, 반도체 장치. - 반도체 장치로서,
제 1 소스 폴로어와,
제 2 소스 폴로어와,
트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터를 갖고,
상기 반도체 장치에는 이차 전지의 음극 전위 및 상기 이차 전지의 양극 전위가 공급되고,
상기 제 1 소스 폴로어에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 소스 폴로어에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 1 전위는 상기 제 2 전위보다 높은 전위이고,
상기 제 2 전위는 상기 음극 전위보다 높은 전위이고,
상기 제 1 소스 폴로어의 출력은 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 입력되고,
상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 소스 폴로어의 출력은 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 입력되는, 반도체 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는, 반도체 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜지스터, 상기 제 1 소스 폴로어를 구성하는 트랜지스터, 상기 제 2 소스 폴로어를 구성하는 트랜지스터, 및 상기 콤퍼레이터를 구성하는 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는, 반도체 장치. - 반도체 장치로서,
제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터와,
제 1 배선 및 제 2 배선을 갖고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 2 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 4 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되는, 반도체 장치. - 반도체 장치로서,
제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터와,
제 1 배선 및 제 2 배선을 갖고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 2 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 4 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 전위는 상기 제 2 전위보다 높은 전위인, 반도체 장치. - 반도체 장치로서,
제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터와,
용량 소자와,
콤퍼레이터와,
제 1 배선 및 제 2 배선을 갖고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽, 그리고 상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 트랜지스터의 게이트에는 제 1 전위가 입력되고,
상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 2 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 상기 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 트랜지스터의 게이트에는 제 2 전위가 입력되고,
상기 제 4 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 상기 제 4 트랜지스터의 게이트는 상기 제 2 배선에 전기적으로 접속되고,
상기 제 5 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 단자 및 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 배선에는 이차 전지의 음극 전위가 공급되고,
상기 제 2 배선에는 상기 이차 전지의 양극 전위가 공급되고,
상기 제 1 전위는 상기 제 2 전위보다 높은 전위이고,
상기 제 2 전위는 상기 음극 전위보다 높은 전위인, 반도체 장치. - 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 5 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는, 반도체 장치. - 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터 및 상기 콤퍼레이터를 구성하는 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는, 반도체 장치.
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