WO2021005439A1 - 半導体装置、蓄電装置および半導体装置の動作方法 - Google Patents
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Definitions
- One aspect of the present invention relates to a semiconductor device and a method of operating the semiconductor device. Further, one aspect of the present invention relates to a battery control circuit, a battery protection circuit, a power storage device, and an electric device.
- one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields.
- the technical field of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method.
- one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). Therefore, more specifically, the technical fields of one aspect of the present invention disclosed in the present specification include display devices, light emitting devices, power storage devices, imaging devices, storage devices, their driving methods, or methods for manufacturing them. Can be given as an example.
- Patent Document 1 shows an example of a negative impedance circuit used in an oscillator.
- One aspect of the present invention provides a new oscillator, a new amplifier circuit, a new inverter circuit, a new amplifier circuit, a new battery control circuit, a new battery protection circuit, a power storage device, a semiconductor device, an electric device, and the like. That is one of the issues.
- one aspect of the present invention provides an oscillator, an inverter circuit, an amplifier circuit, a battery control circuit, a battery protection circuit, a power storage device, a semiconductor device, an electric device, or the like having a new configuration capable of reducing power consumption.
- One of the issues is to do.
- the problem of one aspect of the present invention is not limited to the problems listed above.
- the issues listed above do not preclude the existence of other issues.
- Other issues are issues not mentioned in this item, which are described below. Issues not mentioned in this item can be derived from those described in the description, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions.
- one aspect of the present invention solves at least one of the above-listed problems and / or other problems.
- One aspect of the present invention includes a first transistor, an oscillator, a first wiring, a second wiring, and a first circuit, and the oscillator includes a first wiring and a second wiring. And electrically connected to each of the first circuits, the first transistor has a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region, and the oscillator has a second transistor and a third transistor. It has a fourth transistor, a fifth transistor, and a first capacitive element, and the gate of the second transistor and the gate of the third transistor are located at one of the source and drain of the first transistor.
- one of the source and drain of the second transistor is electrically connected to one of the source and drain of the fourth transistor and one electrode of the first capacitive element
- the third One of the source and drain of the transistor is electrically connected to one of the source and drain of the fifth transistor and the other electrode of the first capacitive element, and the other of the source and drain of the fourth transistor.
- the gate of the fifth transistor the other of the source and drain of the fifth transistor is electrically connected to the first circuit and the gate of the fourth transistor
- the first The wiring is a semiconductor device that is electrically connected to the other of the source and drain of the second transistor and the other of the source and drain of the third transistor.
- the first circuit has at least one of an inverter and a buffer and an input terminal, the gate of the fourth transistor is electrically connected to the input terminal, and the first circuit is: It is a semiconductor device having a function of performing at least one of shaping and amplification of a signal given to an input terminal.
- the second transistor to the fifth transistor have a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region.
- the second capacitive element is provided, and one electrode of the second capacitive element is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor, and the other of the second capacitive element is electrically connected.
- the electrodes of are preferably electrically connected to the first wiring.
- the first circuit has a second wiring
- the first circuit has two or more transistors connected in series between the first wiring and the second wiring
- the first circuit has.
- One of the two or more transistors having, one of the source and the drain is electrically connected to the first wiring
- the gate is electrically connected to one of the source and the drain of the first wiring, and is connected to the first wiring. Is given a low potential signal, and it is preferable that a high potential signal is given to the second wiring.
- a resistance element, a sixth transistor, and a seventh transistor are provided, and the first wiring is electrically connected to one of the source and drain of the sixth transistor, and the first wiring is connected to the source and drain of the sixth transistor.
- the other of the source and drain of the 6th transistor is electrically connected to one of the source and drain of the 7th transistor, and the other of the source and drain of the 7th transistor is electrically connected to one electrode of the resistance element.
- the other electrode of the resistance element is electrically connected to the second wiring
- the other of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the source or drain of the seventh transistor
- the second It has a function of turning off at least one of the sixth transistor and the seventh transistor during the period in which the potential of 1 is held, and blocking the current flowing between the first wiring and the second wiring. It is preferable that a low potential signal is given to the first wiring and a high potential signal is given to the second wiring.
- the first circuit has n transistors (n is a natural number of 2 or more), and the n transistors of the first circuit are of the first wiring and the second wiring.
- the n transistors of the first circuit, which are connected in series between them, are such that the source or drain of one transistor and the source or drain of the other transistor are electrically connected in two adjacent transistors, and the fourth transistor is connected.
- the gate of the transistor is preferably electrically connected to at least one gate of n transistors included in the first circuit.
- the first circuit has n transistors (n is a natural number of 2 or more), and the n transistors of the first circuit are of the first wiring and the second wiring.
- the source or drain of the (m-1) transistor (m is a natural number of 3 or more and n or less) is the (m-2) th transistor.
- the n transistors electrically connected to the source or drain of the first transistor one of the source and drain of the first transistor is connected to the first wiring, and the other is of the second transistor.
- one of the source and drain of the nth transistor is connected to the second wiring, and the other is the second (n-1). It is preferable that the gate of the fourth transistor is electrically connected to at least one of the n transistors of the first circuit, which is electrically connected to the source or drain of each of the transistors.
- one aspect of the present invention includes the semiconductor device described above, a comparator, and an eighth transistor, and one of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the comparator is a positive electrode of a secondary battery. Electrically connected, the other is electrically connected to one of the source and drain of the eighth transistor, the eighth transistor having a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region, the eighth.
- the comparator has a function of outputting an output signal according to the comparison result between the potential of the positive electrode and the second potential, and the oscillator has a current between the first wiring and the second wiring according to the output signal. It is a power storage device having a function of shutting off.
- one aspect of the present invention comprises an oscillator, a first transistor, and a first circuit, the first transistor having a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region.
- the oscillator has a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a first capacitive element
- the first circuit has an input terminal.
- the gate of the second transistor and the gate of the third transistor are electrically connected to one of the source and drain of the first transistor, and one of the source and drain of the second transistor is the source of the fourth transistor.
- one of the drains and one of the electrodes of the first capacitive element are electrically connected, and one of the source and drain of the third transistor is one of the source and drain of the fifth transistor and the first.
- the other of the source and drain of the fourth transistor is electrically connected to the gate of the fifth transistor and of the source and drain of the fifth transistor.
- the other is electrically connected to the input terminal of the first circuit and the gate of the fourth transistor to turn on the first transistor, the gate of the second transistor and the gate of the third transistor.
- a third step in which the first potential applied to the gate of the second transistor and the gate of the third transistor is held, and the first circuit is at least one of shaping and amplifying the first signal. This is an operation method of the semiconductor device having the fourth step of performing the above.
- the above configuration it has a first wiring, a second wiring, a resistance element, a sixth transistor, and a seventh transistor, and the first wiring is the source of the sixth transistor and On one of the drains, the source and drain of the sixth transistor are on one of the sources and drains of the seventh transistor, and the other of the source and drain of the seventh transistor is on one electrode of the resistance element.
- the other electrode is electrically connected to the second wiring, respectively, and the other of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the source or drain of the seventh transistor, in the first step.
- a low potential signal is given to the first wiring, and a high potential signal is given to the second wiring.
- the sixth transistor and the seventh transistor are turned off. It is preferable that at least one of the transistors in the above is turned off so that the current flowing between the first wiring and the second wiring is cut off.
- the second capacitive element is provided, and one electrode of the second capacitive element is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor, and the other of the second capacitive element is electrically connected.
- the electrodes of are preferably electrically connected to the first wiring.
- the first circuit has at least one of an inverter and a buffer.
- the second transistor to the fifth transistor have a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region.
- one aspect of the present invention includes an oscillator, a first transistor, a first circuit, a second circuit, and a first wiring, and the first transistor is located in a channel forming region.
- the oscillator has a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a first capacitive element.
- the first circuit has an input terminal, and the first wiring is electrically connected to one of the source and drain of the second transistor and one of the source and drain of the third transistor.
- the gate of the second transistor and the gate of the third transistor are electrically connected to one of the source and drain of the first transistor, and the other of the source and drain of the second transistor is the source and drain of the fourth transistor.
- the other of the source and drain of the third transistor is one of the source and drain of the fifth transistor and the first.
- Electrically connected to the other electrode of the capacitive element, the other of the source and drain of the fourth transistor is electrically connected to the gate of the fifth transistor and the other of the source and drain of the fifth transistor.
- the second circuit is electrically connected to the positive electrode of the secondary battery, and the first potential is transferred to the second circuit.
- the first step of giving to, the second step of holding the first potential, the third step of the second circuit outputting the second signal, and the second circuit of the first wiring A fourth step of giving a low potential signal to the second transistor, a fifth step of turning on the first transistor and giving a second potential to the gate of the second transistor and the gate of the third transistor, and the oscillator
- the above configuration it has a second wiring, a resistance element, a sixth transistor, and a seventh transistor, and the first wiring is connected to one of the source and drain of the sixth transistor.
- the other of the source and drain of the sixth transistor is on one of the source and drain of the seventh transistor, the other of the source and drain of the seventh transistor is on one electrode of the resistance element, and the other electrode of the resistance element is on the second.
- the other of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the source or drain of the seventh transistor, respectively, and in the seventh step, the first transistor is turned off. After the state, it is preferable that at least one of the sixth transistor and the seventh transistor is turned off so that the current flowing between the first wiring and the second wiring is cut off.
- the second capacitive element is provided, and one electrode of the second capacitive element is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor, and the other of the second capacitive element is electrically connected.
- the electrodes of are preferably electrically connected to the first wiring.
- the first circuit has at least one of an inverter and a buffer.
- the second transistor to the fifth transistor have a metal oxide containing indium or zinc in the channel forming region.
- a new oscillator, a new amplifier circuit, a new inverter circuit, a new amplifier circuit, a new battery control circuit, a new battery protection circuit, a power storage device, a semiconductor device, an electric device, and the like are provided. be able to.
- an oscillator, an inverter circuit, an amplifier circuit, a battery control circuit, a battery protection circuit, a power storage device, a semiconductor device, an electric device, etc. having a new configuration capable of reducing power consumption are provided. can do.
- the effect of one aspect of the present invention is not limited to the effects listed above.
- the effects listed above do not preclude the existence of other effects.
- the other effects are the effects not mentioned in this item, which are described below. Effects not mentioned in this item can be derived from those described in the description, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions.
- one aspect of the present invention has at least one of the above-listed effects and / or other effects. Therefore, one aspect of the present invention may not have the effects listed above in some cases.
- FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device.
- FIG. 3A is a diagram showing a configuration example of a circuit.
- FIG. 3B is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 3C is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 3D is a diagram showing a configuration example of a circuit.
- FIG. 4A is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4B is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4C is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4D is a diagram showing a configuration example of a circuit.
- FIG. 4A is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4B is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4C is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 4E is a diagram showing a configuration example of the circuit.
- FIG. 5 is a timing chart illustrating an operation example of the semiconductor device.
- FIG. 6A is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device.
- FIG. 6B is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device.
- FIG. 7A is a circuit diagram showing a configuration example of an amplifier circuit.
- FIG. 7B is a circuit diagram showing a configuration example of an amplifier circuit.
- FIG. 8A is a circuit diagram showing an example of a secondary battery and a semiconductor device.
- FIG. 8B is a diagram illustrating an example of operation of the semiconductor device.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device.
- FIG. 10A is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 10B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 10C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 11A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 11B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 11C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 12C is a cross-section
- FIG. 13A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 13B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 13C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 14A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 14B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 14C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 15C is a cross-sectional view showing
- FIG. 16A is a top view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 16B is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 16C is a cross-sectional view showing a structural example of the transistor.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device.
- FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device.
- the ordinal numbers "1st”, “2nd”, and “3rd” are added to avoid confusion of the components. Therefore, the number of components is not limited. Moreover, the order of the components is not limited. Further, for example, the component referred to in “first” in one of the embodiments of the present specification and the like is defined as a component referred to in “second” in another embodiment or in the claims. It is possible. Further, for example, the component referred to in “first” in one of the embodiments of the present specification and the like may be omitted in another embodiment or in the claims.
- the position, size, range, etc. of each configuration shown in the drawings, etc. may not represent the actual position, size, range, etc. in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, etc. disclosed in the drawings and the like.
- the resist mask or the like may be unintentionally reduced due to a process such as etching, but it may not be reflected in the drawing for easy understanding.
- electrode and “wiring” in the present specification and the like do not functionally limit these components.
- an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa.
- the terms “electrode” and “wiring” include the case where a plurality of “electrodes” and “wiring” are integrally formed.
- terminal may refer to, for example, wiring or an electrode connected to the wiring. Further, in the present specification and the like, a part of “wiring” may be referred to as “terminal”.
- the terms “upper” and “lower” in the present specification and the like do not limit the positional relationship of the components to be directly above or directly below and to be in direct contact with each other.
- the electrode B on the insulating layer A it is not necessary that the electrode B is formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration is formed between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude cases that include elements.
- source and drain functions are interchanged depending on operating conditions, such as when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes during circuit operation, so which one is the source or drain is limited. Is difficult. Therefore, in the present specification, the terms source and drain can be used interchangeably.
- electrically connected includes a case where it is directly connected and a case where it is connected via "something having some electrical action".
- the "thing having some kind of electrical action” is not particularly limited as long as it enables the exchange of electric signals between the connection targets. Therefore, even when it is expressed as “electrically connected", in an actual circuit, there is a case where there is no physical connection part and only the wiring is extended.
- parallel means, for example, a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of ⁇ 5 ° or more and 5 ° or less is also included.
- vertical and orthogonal mean, for example, a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 ° or more and 95 ° or less is also included.
- the resist mask when the etching process is performed after the resist mask is formed, the resist mask shall be removed after the etching process is completed unless otherwise specified.
- the voltage often indicates the potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, ground potential or source potential). Therefore, it is often possible to paraphrase “voltage” and “potential” with each other. In the present specification and the like, “voltage” and “potential” can be paraphrased unless otherwise specified.
- semiconductor Even when the term "semiconductor” is used, for example, if the conductivity is sufficiently low, it has the characteristics of an "insulator". Therefore, it is possible to replace “semiconductor” with “insulator". In this case, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous, and it is difficult to make a strict distinction between the two. Therefore, the terms “semiconductor” and “insulator” described herein may be interchangeable.
- the "on state” of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically short-circuited (also referred to as “conduction state”).
- the “off state” of the transistor means a state in which the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically cut off (also referred to as “non-conducting state”).
- the "on current” may mean the current flowing between the source and the drain when the transistor is in the on state.
- the “off current” may mean a current flowing between the source and the drain when the transistor is in the off state.
- the high potential signal indicates a power supply potential having a higher potential than the low potential signal.
- the low potential signal indicates a power supply potential having a potential lower than that of the high potential signal.
- the ground potential can also be used as a high potential signal or a low potential signal.
- the high potential signal may be referred to as a high power supply potential.
- the low potential signal may be referred to as a low power supply potential.
- the gate means a part or all of the gate electrode and the gate wiring.
- the gate wiring refers to wiring for electrically connecting the gate electrode of at least one transistor with another electrode or another wiring.
- the source means a part or all of a source area, a source electrode, and a source wiring.
- the source region refers to a region of the semiconductor layer having a resistivity of a certain value or less.
- the source electrode refers to a conductive layer in a portion connected to the source region.
- the source wiring is a wiring for electrically connecting the source electrode of at least one transistor to another electrode or another wiring.
- the drain means a part or all of the drain region, the drain electrode, and the drain wiring.
- the drain region refers to a region of the semiconductor layer having a resistivity of a certain value or less.
- the drain electrode refers to a conductive layer at a portion connected to the drain region.
- Drain wiring refers to wiring for electrically connecting the drain electrode of at least one transistor to another electrode or another wiring.
- the semiconductor device 21 shown in FIG. 1 includes an oscillator 30, a circuit 31, a circuit 32, a wiring VD1, and a wiring VS1.
- the wiring VD1 and the wiring VS1 are electrically connected to the oscillator 30, the circuit 31 and the circuit 32, respectively.
- the wiring VD1 is given a high potential signal
- the wiring VS1 is given a low potential signal.
- the oscillator 30 has a transistor 42, a transistor 43, a transistor 44, a transistor 45, a capacitance element 51, a terminal OU1, and a terminal OU2.
- the terminal VBI1 included in the circuit 32 is electrically connected to the oscillator 30 or the like.
- the terminal VBI1 has a function of giving a signal Sv1 to the oscillator 30 and the like.
- One of the source and drain of the transistor 42 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 44, one electrode of the capacitance element 51, and the node ND1. Further, one of the source and drain of the transistor 43 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 45, the other electrode of the capacitive element 51, and the node ND2. The other of the source and drain of the transistor 44 is electrically connected to the gate of the transistor 45, the terminal OU2, and the node ND3. The other side of the source and drain of the transistor 45 is electrically connected to the gate of the transistor 44, the terminal OU1, and the node ND4. The other of the source and drain of the transistor 42 and the other of the source and drain of the transistor 43 are electrically connected to the wiring VS1.
- the terminal OU1 is electrically connected to the terminal IN2 of the circuit 31.
- the oscillator 30 preferably has a transistor 54 and a transistor 55.
- one of the source and drain of the transistor 54 is electrically connected to the gate of the transistor 45. Further, the other of the source and drain of the transistor 54 and the gate are electrically connected to the wiring VD1. Further, one of the source and drain of the transistor 55 is electrically connected to the gate of the transistor 44. Further, the other of the source and drain of the transistor 55 and the gate are electrically connected to the wiring VD1.
- a resistance element may be used instead of the transistor 54 and the transistor 55.
- a plurality of transistors connected in series and having their gates electrically connected to each other may be used.
- the oscillator 30 has a function of outputting a signal having a frequency determined according to, for example, the capacitance value of the capacitance element 51, the threshold value of the transistor 44 and the transistor 45, the current flowing through the transistor 44 and the transistor 45, and the like to the terminal OU1 and the like. Has.
- the oscillator 30 may be referred to as a Source Coupled Voltage Control Oscillator.
- the gates of the transistor 42 and the transistor 43 are electrically connected to the terminal VBI1.
- the magnitude of the drain current of the transistor 42 and the transistor 43 can be controlled by the signal Sv1 given from the terminal VBI1. Therefore, in the oscillator 30, the magnitude of the transistor 44 and the current flowing through the transistor 44 can be controlled by the signal Sv1.
- the frequency of the oscillator 30 can be adjusted by changing the signal Sv1.
- the circuit 31 has an inverter 53.
- the circuit 31 may have a buffer circuit instead of the inverter.
- the circuit 31 preferably has a function of shaping, amplifying, and the like of the signal given to the terminal IN2.
- the circuit 31 shown in FIG. 1 has an inverter 53, a transistor 61, a terminal IN2, and a terminal OU3.
- the inverter 53 has a function of outputting a signal input from the terminal IN2 to the terminal OU3.
- a high potential signal is given to the inverter 53 from the wiring VD1.
- One of the source and drain of the transistor 61 is electrically connected to the inverter 53, and the other is electrically connected to the wiring VS1.
- a low potential signal is given from the wiring VS1 to the inverter 53 via the transistor 61.
- the gate of the transistor 61 is electrically connected to the terminal VBI1.
- the magnitude of the drain current of the transistor 61 can be controlled by the signal Sv1 given from the terminal VBI1. Therefore, in the circuit 31, the current flowing between the wiring VD1 and the wiring VS1 via the inverter 53 can be controlled by the signal Sv1. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the circuit 31 without passing more power than necessary to the circuit 31.
- the circuit 32 shown in FIG. 1 has a transistor 41, a terminal VBI1, a terminal SH1, and a terminal EN1.
- One of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to the terminal VBI1.
- the terminal SH1 is electrically connected to the gate of the transistor 41.
- the circuit 32 preferably has a capacitive element 52. In FIG. 1, one electrode of the capacitive element 52 is electrically connected to the terminal SH1 of the transistor 41, and the other is electrically connected to the wiring VS1.
- circuit 32 The details of the circuit 32 will be described later.
- the transistor included in the semiconductor device 21 may have a back gate.
- the back gates of the transistor 42, the transistor 43, the transistor 44, the transistor 45, the transistor 54, the transistor 55 and the transistor 61 are electrically connected to the source or drain of each transistor, and the transistor 41 The back gate of is electrically connected to the wiring VS1.
- the transistor 42, the transistor 43, the transistor 44, the transistor 45, the transistor 54, the transistor 55, and the back gate of the transistor 61 are electrically connected to the source or drain.
- a desired potential may be applied to the back gate of the above and the potential may be fixed.
- the desired potential may be, for example, the potential of the wiring VS1.
- the potential given to the back gate may be one potential selected from several potentials. Alternatively, it may be a value that changes with time.
- the back gate may be electrically connected to a pair of gates sandwiching the gate insulator and the semiconductor layer.
- 3A, 3B, 3C and 3D show an example of a specific configuration of the circuit 32.
- the circuit 32 has a function of outputting and holding a desired potential from the terminal VBI1.
- the circuit 32 shown in FIG. 3A includes a transistor 41, a transistor 46a, a transistor 47a, a capacitance element 52, and a resistance element RL1.
- one of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to the terminal VBI1 and one electrode of the capacitive element 52.
- the other electrode of the capacitive element 52 is electrically connected to the wiring VS1.
- the other of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to one terminal of the resistance element RL1, one of the source and drain of the transistor 47a, and the gate of the transistor 47a.
- the terminal SH1 is electrically connected to the gate of the transistor 41.
- the other terminal of the resistance element RL1 is electrically connected to the wiring VD1.
- the other of the source and drain of the transistor 47a is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 46a, and the other of the source and drain of the transistor 46a is electrically connected to the wiring VS1.
- the terminal EN1 is electrically connected to the gate of the transistor 46a.
- a transistor may be used as the resistance element.
- the resistance element may be a current source.
- a current generation circuit may be connected and a current from the circuit may be applied.
- the circuit 32 shown in FIG. 3B includes a transistor 41, a transistor 46a, a transistor 47a, a capacitance element 52, and a resistance element RL1.
- the circuit 32 shown in FIG. 3B differs from FIG. 3A in that the terminal VBI1 is electrically connected to the gate of the transistor 47a, not one of the source and drain of the transistor 41.
- the circuit 32 shown in FIG. 3C includes a transistor 41, a transistor 46b, a transistor 47b, a capacitance element 52, and a resistance element RL1.
- one of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to the terminal VBI1 and one electrode of the capacitive element 52.
- the other electrode of the capacitive element 52 is electrically connected to the wiring VS1.
- the other of the source and drain of the transistor 41 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 47b, the gate of the transistor 46b, and one of the source and drain of the transistor 46b.
- the terminal SH1 is electrically connected to the gate of the transistor 41.
- the other of the source and drain of the transistor 46b is electrically connected to the wiring VS1.
- the other of the source and drain of the transistor 47b is connected to one terminal of the resistance element RL1.
- the other terminal of the resistance element RL1 is electrically connected to the wiring VD1.
- the terminal EN1 is electrically connected to the gate of the
- the circuit 32 shown in FIG. 3D includes a transistor 41, a transistor 46b, a transistor 47b, a capacitance element 52, and a resistance element RL1.
- the circuit 32 shown in FIG. 3D differs from FIG. 3C in that the terminal VBI1 is electrically connected to the gate of the transistor 46b, not one of the source and drain of the transistor 41.
- 3A, 3B, 3C, 3D, etc. show an example in which the back gate of the transistor 41 is electrically connected to the wiring VS1, but the back gate of the transistor 41 has a potential different from that of the wiring VS1. It may be electrically connected to the output terminal.
- the back gate of the transistor 41 may be electrically connected to one of the source and drain of the transistor 41.
- the back gate of the transistor may be electrically connected to a pair of gates with a gate insulator and a semiconductor layer in between.
- the off-current can be extremely reduced.
- the transistor 41 is turned on to give a suitable potential to the terminal VBI1
- the transistor 41 is turned off to put it in a floating state, and by holding the given potential, the potential can be programmed in the node ND2.
- a potential for turning on the transistor 41 is given to the terminal SH1 to turn on the transistor 41, and a desired potential is given to the terminal VBI1 as a signal Sv1. After that, a potential for turning off the transistor is applied to the terminal SH1 to turn off the transistor 41, and the potential of the terminal VBI1 is maintained.
- the OS transistor as the transistor 41, the potential given from the terminal VBI1 can be held for a long time, preferably 1 minute or longer, more preferably 1 hour or longer, still more preferably 10 hours or longer.
- an OS transistor for at least one of the transistor 46a and the transistor 46b. More specifically, for example, among the transistors 46a and 46b, the current flowing between the wiring VD1 and the wiring VS1 in the circuit 32 by using the OS transistor as the transistor in which the terminal EN1 is electrically connected to the gate. The leakage current can be made extremely low when the circuit is cut off.
- each circuit that gives a signal, a power supply, a current, etc. to the circuit 32 after giving the terminal EN1 a potential for turning off the transistor 46a or the transistor 46b for example, a control circuit, a power supply circuit, a current generation circuit, and a voltage generation circuit. , Current source, constant current source, etc. may be turned off. Power consumption can be reduced by turning off these circuits.
- all the transistors of the oscillator 30, the circuit 31 and the circuit 32 of the semiconductor device shown in FIG. 1 may be used as OS transistors.
- All the transistors of the oscillator 30, the circuit 31 and the circuit 32 of the semiconductor device shown in FIG. 1 can be composed of unipolar, for example, n-channel transistors.
- all the transistors can be composed of n-channel type OS transistors.
- An OS transistor can be provided by stacking on a layer having a transistor having silicon (hereinafter referred to as a Si transistor) in the channel formation region.
- a Si transistor a transistor having silicon
- the oscillator 30, the circuit 31 and the circuit 32 are stacked and arranged on the circuit configured by using the Si transistor, and the circuit is arranged. The area can be reduced.
- the oxide semiconductor used for the OS transistor can be formed by using a thin film method such as a sputtering method. Therefore, it can be easily formed on various substrates including a glass substrate, and a semiconductor device may be manufactured at low cost.
- FIG. 4A shows a configuration example of the circuit 31.
- the circuit 31 shown in FIG. 4A includes a transistor 61, a transistor 62, and a circuit 63.
- the gate of the transistor 61 is electrically connected to the terminal VBI1.
- One of the source and drain of the transistor 61 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 62, and the other is electrically connected to the wiring VS1.
- the other of the source and drain of the transistor 62 is electrically connected to the circuit 63 and the terminal OU3.
- the terminal IN2 is electrically connected to the gate of the transistor 62.
- the transistor 61 and the transistor 62 have a back gate, and the back gate of each transistor is electrically connected to the source or drain of each transistor.
- FIG. 4B shows a configuration example of the circuit 31.
- the circuit 31 shown in FIG. 4B includes a transistor 64, a transistor 65, and a capacitive element 66 in addition to the configuration of the circuit 31 shown in FIG. 4A.
- the gate of the transistor 61 is electrically connected to the terminal VBI1.
- One of the source and drain of the transistor 61 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 62, and the other is electrically connected to the wiring VS1.
- the other of the source and drain of the transistor 62 is electrically connected to the circuit 63, one electrode of the capacitive element 66, and the gate of the transistor 65.
- the other electrode of the capacitive element 66 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 64, one of the source and drain of the transistor 65, and the terminal OU3.
- the terminal IN2 is electrically connected to the gate of the transistor 62 and the gate of the transistor 64.
- the other of the source and drain of the transistor 64 is electrically connected to the wiring VS1, and the other of the source and drain of the transistor 65 is electrically connected to the wiring VD1.
- the transistor 64 and the transistor 65 each have a back gate.
- the back gate of the transistor 64 is electrically connected to, for example, the wiring VS1. Further, the back gate of the transistor 65 is electrically connected to the terminal OU3, for example.
- 4C, 4D and 4E show an example of the circuit 63, respectively.
- the circuit 63 shown in FIG. 4C has transistors 63a, one of the source and drain of the transistor 63a is electrically connected to the gate and wiring VD1 of the transistor 63a, and the other is electrically connected to the other of the source and drain of the transistor 62. Connected to.
- the circuit 63 shown in FIG. 4D has a transistor 63a and a transistor 63b, the wiring VD1 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 63a and the gate, and the other of the source and drain of the transistor 63a is One of the source and drain of the transistor 63b and the gate are electrically connected, and the other of the source and drain of the transistor 63b is electrically connected to the other of the source and drain of the transistor 62.
- the circuit 63 may have n transistors (n is an integer of 2 or more).
- the wiring VD1 is electrically connected to one of the source and drain of the first transistor (transistor 63a in FIG. 4E) and the gate, and the other of the source and drain of the first transistor is the second transistor.
- One of the source and drain of the transistor (transistor 63b in FIG. 4E) and the gate are electrically connected, and in this order, the other of the source and drain of the transistor is connected to one of the source and drain of the transistor in the next stage. Is electrically connected to the gate.
- the other of the source and drain of the nth transistor is electrically connected to the other of the source and drain of the transistor 62.
- transistors shown in FIGS. 4C, 4D and 4E have back gates, and each back gate is electrically connected to the source or drain of each transistor.
- FIG. 5 is a timing chart illustrating an example of the operation of the oscillator 30.
- the threshold values of the transistor 54, the transistor 55, the transistor 44, and the transistor 45 are set to the potential Vt.
- the threshold values of these transistors may vary from transistor to transistor, but for the sake of simplicity, it is assumed that the threshold values of these transistors are the same.
- the transistor 45 is in the off state, and the potential of the node ND4 is, for example, a potential lower than the potential VD1 by the threshold value of the transistor 55, that is, a potential (VD1-Vt).
- the transistor 44 is in the ON state, and the potentials of the node ND1 and the node ND3 are approximately equal.
- the potentials of the node ND1 and the node ND3 at time t0 be the potential V0.
- the potential V0 is a value lower than the potential (VD1-Vt) by at least the threshold value of the transistor 44, for example, the potential (VD1-2Vt).
- the transistor 45 is in the off state, and the potential of the node ND2 gradually decreases with the passage of time due to the leakage of the electric charge of the capacitive element 51 to the transistor 43 and the like.
- the transistor 45 When the transistor 45 is turned on and becomes conductive, the potential of the node ND4 drops, the potential (Vgs) of the gate with respect to the source in the transistor 44 becomes equal to or lower than the potential Vt (Vgs ⁇ Vt), and the transistor 44 is turned off. ..
- the potential of the node ND3 rises from the potential VD1 to a potential (VD1-Vt) lower than the potential VD1 by the threshold value of the transistor 54.
- the potential of node ND1 also rises with node ND3. After that, the potential of the node ND1 gradually decreases with the passage of time due to the leakage of the capacitive element 51.
- the transistor 44 is turned on.
- the potentials of the node ND1 and the node ND3 become the potential V0.
- the transistor 45 is turned off, and the potential of the node ND4 rises to the potential (VD1-Vt).
- the potential of node ND2 also rises with node ND4, but falls with time.
- the potential of the node ND4 becomes the potential VD1-Vt between the time t0 and the time t1, becomes the potential V0 between the time t1 and the time t2, and thereafter, the potential VD1-Vt and the potential V0 are alternately repeated, and the oscillator Functions as.
- the length of time from time t0 to time t1 and the length of time from time t1 to time t2 are the magnitude of the capacitance value of the capacitive element 51, the magnitude of the current flowing through the transistor 42 and the transistor 43, and the transistor. It is determined by 54, a transistor 55, a threshold value of the transistor 44 and the transistor 45, and the like.
- FIG. 6A shows a configuration example of the semiconductor device 21.
- the semiconductor device 21 shown in FIG. 6A has an amplifier circuit 36 in addition to the components shown in FIG. 1 and the like. Each signal output from the terminal OU1 and the terminal OU2 of the oscillator 30 is given to the amplifier circuit 36.
- the amplifier circuit 36 has a function of generating an amplifier signal based on the signals given from the terminals OU1 and OU2 and giving the amplifier signal to the terminal IN2 of the circuit 31.
- the circuit 31 may be used in two stages in an output section.
- FIG. 6B is an example in which the circuits 31 of the output unit are used in two stages in a configuration in FIG. 6A.
- 7A and 7B show an example of the amplifier circuit 36.
- the amplifier circuit 36 shown in FIG. 7A has a transistor 71, a transistor 72, a transistor 73, a circuit 63x, and a circuit 63y.
- the circuit 63x and the circuit 63y the circuit 63 and the like shown in FIGS. 4C, 4D and 4E can be used.
- the circuit 63x is located between the wiring VD1 and one of the source and drain of the transistor 72 and is electrically connected to each of them.
- the circuit 63y is arranged between the wiring VD1 and one of the source and drain of the transistor 73, and is electrically connected to each of them.
- One of the source and drain of the transistor 73 is electrically connected to the terminal IN2.
- the gate of the transistor 72 is electrically connected to the terminal OU1.
- the gate of the transistor 73 is electrically connected to the terminal OU2.
- the back gate of the transistor 72, the other of the source and drain of the transistor 72, the back gate of the transistor 73, and the other of the source and drain of the transistor 73 are electrically connected to one of the source and drain of the transistor 71. ..
- the other of the source and drain of the transistor 71 and the back gate are electrically connected to the wiring VS1.
- the gate of the transistor 71 is electrically connected to the terminal VBI1 of the circuit 32.
- the amplifier circuit 36 shown in FIG. 7A has a function of amplifying the difference between the signal given to the terminal OU1 and the signal given to the terminal OU2.
- the amplifier circuit 36 shown in FIG. 7B includes a transistor 74, a transistor 75, a transistor 76, and a transistor 77 in addition to the components shown in FIG. 7A.
- one of the source and drain of the transistor 73 is electrically connected to the terminal IN2, but in FIG. 7B, it is electrically connected to the gate of the transistor 77. Further, in FIG. 7B, one of the source and drain of the transistor 72 and the circuit 63x are electrically connected to the gate of the transistor 76.
- One of the source and drain of the transistor 76 is electrically connected to the wiring VD1, and the other is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 74, the gate of the transistor 74, and the gate of the transistor 75. ..
- the other of the source and drain of the transistor 74 is electrically connected to the back gate of the transistor 74 and the wiring VS1.
- One of the source and drain of the transistor 77 is electrically connected to the wiring VD1, and the other is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 75 and the terminal IN2.
- the other of the source and drain of the transistor 75 is electrically connected to the back gate of the transistor 75 and the wiring VS1.
- the semiconductor device 21 has the amplifier circuit 36 and the circuit 31 described above, it is possible to amplify and shape the signal of the desired frequency generated by the oscillator 30, and it is possible to obtain a preferable output signal.
- FIG. 8A shows an example of applying the semiconductor device of one aspect of the present invention to a secondary battery.
- a semiconductor device according to one aspect of the present invention can be connected to a secondary battery to form a power storage device.
- FIG. 8A shows the secondary battery 121 and the semiconductor device 21 electrically connected to the secondary battery 121.
- the semiconductor device 21 shown in FIG. 8A includes a circuit 33, a transistor 49, a circuit 32, an oscillator 30, and a circuit 31.
- the circuit 33 includes a comparator 56, a transistor 48, and a capacitance element 57.
- the comparator 56 has a function of comparing the reference potential with the positive electrode potential of the secondary battery 121 and outputting a signal corresponding to the comparison result.
- the positive electrode of the secondary battery 121 is electrically connected to the non-inverting input terminal of the comparator, and the inverting input terminal of the comparator 56 is given a reference potential.
- the reference potential is given to the inverting input terminal and the potential for comparison with the reference potential is given to the non-inverting input terminal, but the reference potential is given to the non-inverting input terminal and the potential for comparison is applied. May be given to each of the inverting input terminals.
- the reference potential given to the comparator 56 is given from the terminal VT1 via the transistor 48. It is preferable to use an OS transistor as the transistor 48. For example, a high potential signal is given from the terminal SH2 to the gate of the transistor 48 to turn on the transistor 48 to give a suitable potential to the inverting input terminal of the comparator 56, and then a low potential signal is given from the terminal SH2 to the gate of the transistor 48. By turning off the transistor 48 to bring it into a floating state and holding the applied potential, it is possible to program the potential at the inverting input terminal of the comparator 56.
- the output terminal (referred to as terminal OU4) of the comparator 56 is electrically connected to the gate of the transistor 49.
- One of the source and drain of the transistor 49 (referred to as terminal SG1 in FIG. 8A) is electrically connected to the wiring VS1 and the other is electrically connected to the circuit 32, the oscillator 30 and the circuit 31.
- the transistor 49 has a function of controlling the state in which each circuit and the wiring VS1 are electrically connected and disconnected.
- the transistor 49 may be, for example, the transistor 42 and transistor 43 of the oscillator 30 shown in FIG. 1, the transistor 61 of the circuit 31, the transistor 46a of the circuit 32 shown in FIG. 3A, the transistor 46b of the circuit 32 shown in FIG. 3C, and the like. It is electrically connected.
- the semiconductor device 21 can be operated as a circuit for controlling or protecting the secondary battery 121.
- a potential for detecting overcharge is applied to the circuit 33 as a reference potential will be described below with reference to the timing chart shown in FIG. 8B.
- the total current flowing through the circuit 32, the oscillator 30, and the circuit 31 is defined as the current ID 1.
- terminal OU4 is a low potential signal.
- Terminal SG1 is in a floating state.
- the comparator 56 outputs a high potential signal from the terminal OU4. A high potential signal is given from the comparator 56 to the gate of the transistor 49, and the transistor 49 is turned on.
- the wiring VS1 and the circuit 32, the oscillator 30 and the circuit 31 are in a conductive state, and the potential of the wiring VS1 (low potential signal in the example shown in FIG. 8B) is given to the terminal SG1 and each circuit.
- the potential from the wiring VS1 is given to the circuit 32 via the terminal SG1, and the circuit 32, the oscillator 30, the circuit 31 and the wiring VS1 are brought into a conductive state.
- a signal is given to the terminal EN1 and the transistor 46a or the transistor 47a is turned on in the circuit 32. Further, when a signal is given to the terminal SH1, the transistor 41 is turned on, and the potential VBI1 is given to the oscillator 30 from the terminal VBI1, a signal of a desired frequency is output from the terminal OU3.
- a signal is given to the terminal EN1 at time t15, and a potential for turning off is given to the gate of the transistor 46a or the transistor 47a.
- the current flowing through the circuit 32 is cut off, and the current ID1 becomes low.
- a low potential signal is output from the terminal OU4 at time t16, and the current flowing through the circuit 32, the oscillator 30 and the circuit 31 is cut off.
- the terminal SG1 is in a floating state.
- the secondary battery can be protected or controlled by, for example, giving a signal from the terminal OU3 to a circuit that controls charging of the secondary battery to stop charging, or by changing the charging conditions.
- the power storage device of one aspect of the present invention can be configured.
- the power storage device of one aspect of the present invention can enhance the safety of the secondary battery with a small amount of current consumption, and can also enhance the life of the secondary battery. In addition, it may be possible to improve the capacity of the secondary battery while maintaining a high level of safety.
- the transistor 49 When the transistor 49 is in the off state, the currents of the wiring VS1 and the circuit 32, the oscillator 30 and the circuit 31 are cut off, so that the power consumption in each circuit can be significantly reduced.
- the OS transistor As the transistor 49, the leakage current in the off state of the transistor 49 can be extremely reduced, and the power consumption can be reduced to the utmost limit.
- a reference potential determined to be in an over-discharged state may be given to the non-inverting input terminal, and the positive electrode potential of the secondary battery may be given to the inverting input terminal.
- the positive electrode potential of the secondary battery becomes lower than the reference potential, a high potential signal is output from the comparator.
- the semiconductor device of one aspect of the present invention may be equipped with a circuit having a function of controlling a battery.
- a power storage device can be configured by mounting a circuit having a function of controlling a battery on the semiconductor device of one aspect of the present invention and connecting it to a secondary battery.
- the control circuit 38 is provided in FIG. A signal from terminal OU3 is given to the control circuit 38. Further, the control circuit 38 may generate signals such as terminals SH1, EN1, VT1, SH2, etc. and give them to each circuit. Alternatively, a control signal may be given to the circuit that generates these signals.
- the control circuit 38 may be equipped with a circuit having a function of changing the charging or discharging conditions of the battery.
- the conditions include, for example, current density, upper limit voltage, lower limit voltage, mode switching, and the like.
- Examples of the mode include a constant current mode, a constant voltage mode, and the like.
- the semiconductor device according to one aspect of the present invention has, for example, a function of protecting a battery. For example, it has a function of stopping charging or discharging of a battery. For example, it has a function of discharging the battery when overcharge is detected. For example, it has a function of detecting an abnormality in the battery, stopping the operation of the battery, or changing the condition of the battery.
- Stopping the operation of the battery includes, for example, stopping charging or stopping discharging.
- Examples of the battery abnormality include overcharge, overdischarge, overcurrent during charging, overcurrent during discharge, short circuit, micro short circuit described later, deviation of the operating temperature from a predetermined range, and the like.
- the control circuit 38 can be configured by using, for example, a Si transistor. Alternatively, the control circuit 38 may be configured by using an OS transistor and a Si transistor. Alternatively, the control circuit 38 may be composed of an OS transistor.
- the semiconductor device of one aspect of the present invention may include a temperature sensor, a pressure sensor, an illuminance sensor, a motion sensor, an optical sensor, a humidity sensor, and the like.
- the semiconductor device of one aspect of the present invention has, for example, a function of controlling a battery according to the detection results of these sensors.
- Embodiment 2 In this embodiment, a configuration example of an OS transistor that can be used in the semiconductor device described in the above embodiment will be described. Since the OS transistor is a thin film transistor and can be provided in a laminated manner, in the present embodiment, a configuration example of a semiconductor device in which the OS transistor is provided above the Si transistor formed on the single crystal silicon substrate will be described. To do.
- the semiconductor device shown in FIG. 9 includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitive element 600.
- 10A is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction
- FIG. 10B is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction
- FIG. 10C is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction.
- Transistor 500 is an OS transistor in the channel formation region.
- the transistor 500 has a feature that the off-current is very small.
- the semiconductor device described in this embodiment includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitive element 600.
- the transistor 500 is provided above the transistor 300
- the capacitive element 600 is provided above the transistor 300 and the transistor 500.
- the transistor 300 is provided on the substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 composed of a part of the substrate 311 and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region.
- a conductor 316 an insulator 315
- a semiconductor region 313 composed of a part of the substrate 311 and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region.
- the transistor 300 is covered with the conductor 316 on the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction via the insulator 315.
- the on-characteristics of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. Further, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristic of the transistor 300 can be improved.
- the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
- a semiconductor such as a silicon-based semiconductor is included in a region in which a channel of the semiconductor region 313 is formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a serving as a source region or a drain region, a low resistance region 314b, and the like. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, it may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like. A configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.
- HEMT High Electron Mobility Transistor
- an element that imparts n-type conductivity such as arsenic and phosphorus, or a p-type conductivity such as boron is imparted.
- the conductor 316 that functions as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon, a metal material, or an alloy that contains an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron.
- a material or a conductive material such as a metal oxide material can be used.
- the Vth of the transistor can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.
- transistor 300 shown in FIG. 9 is an example, and the transistor 300 is not limited to its structure, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
- the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are laminated in this order so as to cover the transistor 300.
- the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 for example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, etc. are used. Just do it.
- the insulator 322 may have a function as a flattening film for flattening a step generated by a transistor 300 or the like provided below the insulator 322.
- the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.
- CMP chemical mechanical polishing
- the insulator 324 it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 500 is provided from the substrate 311 or the transistor 300.
- a film having a barrier property against hydrogen for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used.
- hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300.
- the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.
- the amount of hydrogen desorbed can be analyzed by using, for example, a heated desorption gas analysis (TDS analysis) method or the like.
- TDS analysis the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is such that the amount desorbed in terms of hydrogen atoms is converted per area of the insulator 324 when the surface temperature of the film is in the range of 50 ° C. to 500 ° C. It may be 10 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less.
- the insulator 326 has a lower dielectric constant than the insulator 324.
- the relative permittivity of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3.
- the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less, the relative permittivity of the insulator 324.
- the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a capacitance element 600, a conductor 328 connected to the transistor 500, a conductor 330, and the like.
- the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring.
- a conductor having a function as a plug or a wiring may collectively give a plurality of structures the same reference numerals.
- the wiring and the plug connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
- each plug and wiring As the material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.
- a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a
- a wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330.
- the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order.
- a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354.
- the conductor 356 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 300.
- the conductor 356 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
- the insulator 350 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
- the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
- a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
- the conductor having a barrier property against hydrogen for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the transistor 300 while maintaining the conductivity as wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
- a wiring layer may be provided on the insulator 354 and the conductor 356.
- the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 are laminated in this order.
- a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364.
- the conductor 366 has a function as a plug or wiring.
- the conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
- the insulator 360 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
- the conductor 366 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
- a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen.
- a wiring layer may be provided on the insulator 364 and the conductor 366.
- the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374 are laminated in this order.
- a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374.
- the conductor 376 has a function as a plug or wiring.
- the conductor 376 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
- the insulator 370 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
- the conductor 376 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
- a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen.
- a wiring layer may be provided on the insulator 374 and the conductor 376.
- the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384 are laminated in this order.
- a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384.
- the conductor 386 has a function as a plug or wiring.
- the conductor 386 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
- the insulator 380 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
- the conductor 386 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
- a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen.
- the semiconductor device according to the present embodiment has been described. It is not limited to this.
- the number of wiring layers similar to the wiring layer containing the conductor 356 may be three or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be five or more.
- the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 are laminated in this order.
- the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.
- the insulator 510 and the insulator 514 it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 500 is provided from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided. .. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.
- Silicon nitride formed by the CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
- hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300.
- the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.
- metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 510 and the insulator 514.
- aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water, which are factors that change the electrical characteristics of transistors. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.
- the same material as the insulator 320 can be used for the insulator 512 and the insulator 516. Further, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
- a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used as the insulator 512 and the insulator 516.
- the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 are embedded with a conductor 518, a conductor (conductor 503) constituting the transistor 500, and the like.
- the conductor 518 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitance element 600 or the transistor 300.
- the conductor 518 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
- the insulator 510 and the conductor 518 in the region in contact with the insulator 514 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water.
- the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.
- a transistor 500 is provided above the insulator 516.
- FIG. 9 an example in which the conductor 610 of the capacitive element 600 is connected to one of the source and drain of the transistor 500 and the gate of the transistor 300 via a conductor provided in an opening such as an insulator 580.
- another OS transistor may be provided on the same layer as the transistor 500, and the conductor 610 may be connected to the gate of the OS transistor via a conductor provided in an opening such as an insulator 580.
- the transistor 500 includes a conductor 503 arranged so as to be embedded in the insulator 514 and the insulator 516, and an insulator 520 arranged on the insulator 516 and the insulator 503. And on the insulator 522 placed on the insulator 520, the insulator 524 placed on the insulator 522, the oxide 530a placed on the insulator 524, and the oxide 530a.
- the arranged oxide 530b, the conductor 542a and the conductor 542b arranged apart from each other on the oxide 530b, and the conductor 542a and the conductor 542b arranged on the conductor 542a and the conductor 542b.
- An insulator 580 having an opening formed by superimposing between them, a conductor 560 arranged in the opening, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, an insulator 580, and a conductor 560. It has an insulator 550 arranged between the insulators 550, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, and an insulator 580, and an oxide 530c arranged between the insulator 550.
- the insulator 544 is arranged between the oxide 530a, the oxide 530b, the conductor 542a, and the conductor 542b and the insulator 580.
- the conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor 560b provided so as to be embedded inside the conductor 560a. It is preferable to have.
- the insulator 574 is arranged on the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550.
- oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c may be collectively referred to as oxide 530. Further, the conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as the conductor 542.
- the transistor 500 a configuration in which three layers of oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c are laminated is shown in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof, but the present invention is limited to this. It's not a thing.
- a single layer of oxide 530b, a two-layer structure of oxide 530b and oxide 530a, a two-layer structure of oxide 530b and oxide 530c, or a laminated structure of four or more layers may be provided.
- the conductor 560 is shown as a two-layer laminated structure, but the present invention is not limited to this.
- the conductor 560 may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
- the transistor 500 shown in FIGS. 9, 10A and 10B is an example, and the transistor 500 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
- the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 542a and the conductor 542b function as a source electrode or a drain electrode, respectively.
- the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.
- the arrangement of the conductor 560, the conductor 542a and the conductor 542b is self-aligned with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 500, the gate electrode can be arranged in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, since the conductor 560 can be formed without providing the alignment margin, the occupied area of the transistor 500 can be reduced. As a result, the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.
- the conductor 560 is formed in a region between the conductor 542a and the conductor 542b in a self-aligned manner, the conductor 560 does not have a region that overlaps with the conductor 542a or the conductor 542b. Thereby, the parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b can be reduced. Therefore, the switching speed of the transistor 500 can be improved and high frequency characteristics can be obtained.
- the conductor 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. Further, the conductor 503 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode. In that case, the Vth of the transistor 500 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently of the potential applied to the conductor 560 without interlocking with it. In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, it is possible to make the Vth of the transistor 500 larger than 0V and reduce the off-current. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 503, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.
- the conductor 503 is arranged so as to overlap the oxide 530 and the conductor 560. As a result, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 503 are connected to cover the channel forming region formed in the oxide 530. Can be done.
- the structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is called a slurried channel (S-channel) structure.
- the side surface and the periphery of the oxide 530 in contact with the conductor 542a and the conductor 542b functioning as the source electrode and the drain electrode are said to be type I as in the channel formation region. It has characteristics. Further, since the side surface and the periphery of the oxide 530 in contact with the conductor 542a and the conductor 542b are in contact with the insulator 544, it can be type I as in the channel forming region. In addition, in this specification and the like, type I can be treated as the same as high-purity authenticity described later. Further, the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure. By adopting the S-channel structure, it is possible to increase the resistance to the short-channel effect, in other words, to make a transistor in which the short-channel effect is unlikely to occur.
- the conductor 503 has the same structure as the conductor 518, and the conductor 503a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 503b is further formed inside.
- the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, and the insulator 550 have a function as a gate insulating film.
- the insulator 524 in contact with the oxide 530 it is preferable to use an insulator containing more oxygen than oxygen satisfying the stoichiometric composition. That is, it is preferable that the insulator 524 is formed with an excess oxygen region. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen deficiency in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 can be improved.
- an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating is 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis.
- the surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
- the insulator 524 has an excess oxygen region, it is preferable that the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).
- oxygen for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.
- the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, the oxygen contained in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side, which is preferable. Further, it is possible to suppress the conductor 503 from reacting with the oxygen contained in the insulator 524 and the oxide 530.
- Insulator 522 is a so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing the ⁇ k material in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
- an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the above oxygen is difficult to permeate).
- an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and the like.
- the insulator 522 is formed by using such a material, the insulator 522 suppresses the release of oxygen from the oxide 530 and the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 500 into the oxide 530. Acts as a layer.
- aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators.
- these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxide nitride, or silicon nitride may be laminated on the above insulator.
- the insulator 520 is thermally stable.
- silicon oxide and silicon oxide nitride are suitable because they are thermally stable.
- an insulator 520 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.
- the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 may have a laminated structure of two or more layers.
- the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
- oxide 530 a metal oxide that functions as an oxide semiconductor for the oxide 530 including the channel forming region.
- oxide 530 In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium).
- Hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more) and the like may be used.
- a metal oxide having a low carrier concentration for the transistor 500 it is preferable to use a metal oxide having a low carrier concentration for the transistor 500.
- the impurity concentration in the metal oxide may be lowered to lower the defect level density.
- a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.
- impurities in the metal oxide include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon and the like.
- hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency in the metal oxide. If the channel formation region in the metal oxide contains oxygen deficiency, the transistor may have normally-on characteristics. Furthermore, a defect containing hydrogen in an oxygen deficiency may function as a donor and generate electrons as carriers. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing a large amount of hydrogen tends to have a normally-on characteristic.
- a defect containing hydrogen in an oxygen deficiency can function as a donor of a metal oxide.
- the carrier concentration may be evaluated instead of the donor concentration. Therefore, in the present specification and the like, as a parameter of the metal oxide, a carrier concentration assuming a state in which an electric field is not applied may be used instead of the donor concentration. That is, the "carrier concentration" described in the present specification and the like may be paraphrased as the "donor concentration".
- the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 ⁇ 10 19 atoms / cm. It is less than 3 , more preferably less than 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , and even more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
- Stable electrical characteristics can be imparted by using a metal oxide in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor.
- the carrier concentration of the metal oxide in the channel formation region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, and preferably less than 1 ⁇ 10 17 cm -3. Is more preferably less than 1 ⁇ 10 16 cm -3 , even more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , even more preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3 .
- the lower limit of the carrier concentration of the metal oxide in the channel formation region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
- the oxygen in the oxide 530 diffuses to the conductor 542 when the conductor 542 (conductor 542a and the conductor 542b) and the oxide 530 come into contact with each other.
- the conductor 542 may oxidize. It is highly probable that the conductivity of the conductor 542 will decrease due to the oxidation of the conductor 542.
- the diffusion of oxygen in the oxide 530 into the conductor 542 can be rephrased as the conductor 542 absorbing the oxygen in the oxide 530.
- oxygen in the oxide 530 diffuses into the conductor 542 (conductor 542a and the conductor 542b), so that the oxygen in the oxide 530 diffuses between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 542b and the oxide 530b.
- Different layers may be formed between them. Since the different layer contains more oxygen than the conductor 542, it is presumed that the different layer has insulating properties.
- the three-layer structure of the conductor 542, the different layer, and the oxide 530b can be regarded as a three-layer structure composed of a metal, an insulator, and a semiconductor, and has a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure. It may be called, or it may be called a diode junction structure mainly composed of a MIS structure.
- the different layer is not limited to being formed between the conductor 542 and the oxide 530b.
- the different layer is formed between the conductor 542 and the oxide 530c, or when the different layer is conductive. It may be formed between the body 542 and the oxide 530b, and between the conductor 542 and the oxide 530c.
- the oxide 530 can suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b. Further, by having the oxide 530c on the oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed above the oxide 530c.
- the oxide 530 has a laminated structure of a plurality of oxide layers having different atomic number ratios of each metal atom.
- the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b.
- the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b.
- the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530a.
- the oxide 530c a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.
- the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530b.
- the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is smaller than the electron affinity of the oxide 530b.
- the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
- the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously bonded.
- the oxide 530a and the oxide 530b and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element other than oxygen as a main component, a mixed layer having a low defect level density can be formed. ..
- the oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.
- the main path of the carrier is oxide 530b.
- the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 500 can obtain a high on-current.
- a conductor 542 (conductor 542a and conductor 542b) that functions as a source electrode and a drain electrode is provided on the oxide 530b.
- the conductors 542 include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, berylium, indium, ruthenium, iridium, and strontium. It is preferable to use a metal element selected from lanterns, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like.
- tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, oxides containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferable.
- tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen.
- a region 543 may be formed as a low resistance region at the interface of the oxide 530 with the conductor 542 and its vicinity.
- the region 543a functions as one of the source region or the drain region
- the region 543b functions as the other of the source region or the drain region.
- a channel forming region is formed in a region sandwiched between the region 543a and the region 543b.
- the oxygen concentration in the region 543 may be reduced.
- a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 542 and the component of the oxide 530 may be formed in the region 543. In such a case, the carrier concentration in the region 543 increases, and the region 543 becomes a low resistance region.
- the insulator 544 is provided so as to cover the conductor 542 and suppresses the oxidation of the conductor 542. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover the side surface of the oxide 530 and come into contact with the insulator 524.
- a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used. it can.
- the insulator 544 it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium aluminate, or the like, which is an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium.
- hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step.
- the insulator 544 is not an essential component when the conductor 542 is a material having oxidation resistance or the conductivity is not significantly reduced even if oxygen is absorbed. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
- the insulator 550 functions as a gate insulating film.
- the insulator 550 is preferably arranged in contact with the inside (upper surface and side surface) of the oxide 530c.
- the insulator 550 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating.
- the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more, and more preferably 2.
- It is an oxide film having a ratio of 0.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
- the surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
- silicon oxide with excess oxygen silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, silicon oxide with carbon and nitrogen added, and vacancies.
- Silicon oxide can be used.
- silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are stable against heat.
- oxygen can be effectively applied from the insulator 550 through the oxide 530c to the channel forming region of the oxide 530b. Can be supplied. Further, similarly to the insulator 524, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is reduced.
- the film thickness of the insulator 550 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
- a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560.
- the metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560.
- the diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530.
- oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed.
- a material that can be used for the insulator 544 may be used.
- the conductor 560 that functions as the first gate electrode is shown as a two-layer structure in FIGS. 10A and 10B, but may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
- Conductor 560a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), conductive having a function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule). Since the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 560b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 550 to reduce the conductivity. As the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
- the conductor 560b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560b also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, a laminated structure of titanium or titanium nitride and the conductive material.
- the insulator 580 is provided on the conductor 542 via the insulator 544.
- the insulator 580 preferably has an excess oxygen region.
- silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having pores , Or a resin or the like is preferable.
- silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
- silicon oxide and silicon oxide having pores are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.
- the insulator 580 preferably has an excess oxygen region. By providing the insulator 580 from which oxygen is released by heating in contact with the oxide 530c, the oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. It is preferable that the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 580 is reduced.
- the opening of the insulator 580 is formed so as to overlap the region between the conductor 542a and the conductor 542b.
- the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.
- the conductor 560 When miniaturizing a semiconductor device, it is required to shorten the gate length, but it is necessary to prevent the conductivity of the conductor 560 from decreasing. Therefore, if the film thickness of the conductor 560 is increased, the conductor 560 may have a shape having a high aspect ratio. In the present embodiment, since the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, even if the conductor 560 has a shape having a high aspect ratio, the conductor 560 is formed without collapsing during the process. Can be done.
- the insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, and the upper surface of the insulator 550.
- an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580.
- oxygen can be supplied into the oxide 530 from the excess oxygen region.
- the insulator 574 use one or more metal oxides selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like. Can be done.
- aluminum oxide has a high barrier property and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. Therefore, the aluminum oxide film formed by the sputtering method can have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen as well as an oxygen supply source.
- the insulator 581 that functions as an interlayer film on the insulator 574.
- the insulator 581 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.
- the conductor 540a and the conductor 540b are arranged in the openings formed in the insulator 581, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544.
- the conductor 540a and the conductor 540b are provided so as to face each other with the conductor 560 interposed therebetween.
- the conductor 540a and the conductor 540b have the same configuration as the conductor 546 and the conductor 548 described later.
- An insulator 582 is provided on the insulator 581.
- the insulator 582 it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 514 can be used for the insulator 582.
- a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 582.
- aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water, which are factors that change the electrical characteristics of transistors. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.
- an insulator 586 is provided on the insulator 582.
- the same material as the insulator 320 can be used.
- a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
- a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used as the insulator 586.
- the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include the conductor 546 and the conductor 548. Is embedded.
- the conductor 546 and the conductor 548 have a function as a plug or wiring for connecting to the capacitance element 600, the transistor 500, or the transistor 300.
- the conductor 546 and the conductor 548 can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.
- the capacitive element 600 has a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.
- the conductor 612 may be provided on the conductor 546 and the conductor 548.
- the conductor 612 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 500.
- the conductor 610 has a function as an electrode of the capacitive element 600.
- the conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.
- FIG. 9 and the like show an example in which the insulator 630 is used as the dielectric of the capacitance element, another insulator may be used as the dielectric of the capacitance element. Further, another conductor or the like may be used as the electrode of the capacitive element.
- an insulator 315 that functions as a gate insulator of the transistor 300 may be used.
- the conductor 316 may be used as one electrode of the capacitive element, the low resistance region 314a or the like may be used as the other electrode.
- the conductor 612 and the conductor 610 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above-mentioned elements as components.
- a metal nitride film, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film and the like can be used.
- indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon oxide are added. It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.
- the conductor 612 and the conductor 610 are shown as a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used.
- a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.
- the conductor 620 is provided so as to overlap with the conductor 610 via the insulator 630.
- a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten.
- tungsten When it is formed at the same time as another structure such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which are low resistance metal materials, may be used.
- An insulator 650 is provided on the conductor 620 and the insulator 630.
- the insulator 650 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 650 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 650.
- a transistor having an oxide semiconductor By using this structure, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, fluctuations in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor having an oxide semiconductor having a large on-current can be provided. Alternatively, a transistor having an oxide semiconductor having a small off-current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved.
- the transistor 500 of the semiconductor device shown in this embodiment is not limited to the above structure.
- structural examples that can be used for the transistor 500 will be described.
- FIG. 11A is a top view of the transistor 510A.
- FIG. 11B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 11A.
- FIG. 11C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 11A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- 11A, 11B and 11C show the transistor 510A and the insulator 511, insulator 512, insulator 514, insulator 516, insulator 580, insulator 582, and insulator 584 that function as interlayer films. There is. Further, a conductor 546 (conductor 546a and a conductor 546b) that is electrically connected to the transistor 510A and functions as a contact plug, and a conductor 503 that functions as wiring are shown.
- the transistor 510A includes a conductor 560 (conductor 560a and a conductor 560b) that functions as a first gate electrode, a conductor 505 that functions as a second gate electrode (conductor 505a, and a conductor 505b), and a conductor 505b.
- An insulator 550 that functions as a first gate insulating film, an insulator 521 that functions as a second gate insulating film, an insulator 522, and an insulator 524, and an oxide 530 (oxidation) having a region in which a channel is formed.
- It has an object 530a, an oxide 530b, and an oxide 530c), a conductor 542a that functions as one of the source or drain, a conductor 542b that functions as the other of the source or drain, and an insulator 574.
- the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574. Further, the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged between the conductor 542a and the conductor 542b.
- the insulator 511 and the insulator 512 function as an interlayer film.
- a single layer of an insulator such as silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, PZT, SrTiO 3 or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) is used.
- an insulator such as silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, PZT, SrTiO 3 or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) is used.
- aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators.
- these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxide nitride, or
- the insulator 511 preferably functions as a barrier film that suppresses impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. Therefore, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate) for the insulator 511. Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule) (the oxygen is difficult to permeate). Further, for example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used as the insulator 511. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 511.
- the insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 511.
- a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
- the conductor 503 is formed so as to be embedded in the insulator 512.
- the height of the upper surface of the conductor 503 and the height of the upper surface of the insulator 512 can be made about the same.
- the conductor 503 is shown to have a single layer structure, the present invention is not limited to this.
- the conductor 503 may have a multilayer structure of two or more layers.
- the conductor 560 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. Further, the conductor 505 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode.
- the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled by changing the potential applied to the conductor 505 independently without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made larger than 0V, and the off-current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 505, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.
- the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 505 are generated. And can cover the channel forming region formed in the oxide 530.
- the channel formation region can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 560 having the function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 505 having the function as the second gate electrode. That is, it has an S-channel structure like the transistor 500 described above.
- the insulator 514 and the insulator 516 function as an interlayer film in the same manner as the insulator 511 or the insulator 512.
- the insulator 514 preferably functions as a barrier film that suppresses impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 514.
- the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
- the conductor 505 that functions as the second gate
- the conductor 505a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 505b is further formed inside.
- the height of the upper surface of the conductor 505a and the conductor 505b and the height of the upper surface of the insulator 516 can be made about the same.
- the transistor 510A shows a configuration in which the conductor 505a and the conductor 505b are laminated
- the present invention is not limited to this.
- the conductor 505 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers.
- the conductor 505a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate).
- a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule (the oxygen is difficult to permeate).
- the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above impurities or the above oxygen.
- the conductor 505a since the conductor 505a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 505b from being oxidized and the conductivity from being lowered.
- the conductor 505 also functions as a wiring
- a highly conductive conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component for the conductor 505b.
- the conductor 503 does not necessarily have to be provided.
- the conductor 505b is shown as a single layer, it may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
- the insulator 521, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a second gate insulating film.
- the insulator 522 preferably has a barrier property. Since the insulator 522 has a barrier property, it functions as a layer for suppressing the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 510A into the transistor 510A.
- the insulator 522 is an insulator containing a so-called high-k material such as aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium aluminate, tantalum oxide, zirconium oxide, PZT, SrTiO 3 or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferably used in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
- a so-called high-k material such as aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium aluminate, tantalum oxide, zirconium oxide, PZT, SrTiO 3 or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferably used in a single layer or in
- the insulator 521 is thermally stable.
- silicon oxide and silicon oxide nitride are suitable because they are thermally stable.
- an insulator 521 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.
- FIG. 11 shows a three-layer laminated structure as the second gate insulating film, it may be a single layer or a laminated structure of two or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
- the oxide 530 having a region functioning as a channel forming region has an oxide 530a, an oxide 530b on the oxide 530a, and an oxide 530c on the oxide 530b.
- the oxide 530a under the oxide 530b it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed below the oxide 530a.
- the oxide 530c on the oxide 530b it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed above the oxide 530c.
- the oxide 530 an oxide semiconductor which is a kind of the above-mentioned metal oxide can be used.
- the oxide 530c is provided in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574.
- the insulator 574 has a barrier property, it is possible to prevent impurities from the insulator 580 from diffusing into the oxide 530.
- One of the conductors 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.
- a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component can be used. ..
- a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.
- a laminated structure of two or more layers may be used.
- a tantalum nitride film and a tungsten film may be laminated.
- the titanium film and the aluminum film may be laminated.
- a two-layer structure in which an aluminum film is laminated on a tungsten film a two-layer structure in which a copper film is laminated on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a titanium film, and a tungsten film. It may have a two-layer structure in which copper films are laminated.
- a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.
- a barrier layer may be provided on the conductor 542.
- the barrier layer it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. With this configuration, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 542 when the insulator 574 is formed.
- a metal oxide can be used for the barrier layer.
- an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide.
- silicon nitride formed by the CVD method may be used.
- the range of material selection for the conductor 542 can be expanded.
- a material having low oxidation resistance but high conductivity such as tungsten or aluminum, can be used.
- a conductor that is easy to form a film or process can be used.
- the insulator 550 functions as a first gate insulating film.
- the insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 via the oxide 530c and the insulator 574.
- the insulator 550 may have a laminated structure like the second gate insulating film.
- an insulator that functions as a gate insulating film in a laminated structure of a high-k material and a thermally stable material, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness. It becomes.
- a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.
- the conductor 560 functioning as the first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b on the conductor 560a.
- the conductor 560a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms, similarly to the conductor 505a.
- a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule).
- the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560b and prevent the conductivity from being lowered.
- the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
- an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the conductor 560a. In that case, by forming the conductor 560b into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the conductor 560a can be reduced to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Controller) electrode.
- OC Oxide Controller
- the conductor 560b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560 functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
- Insulator 574 is arranged between the insulator 580 and the transistor 510A.
- the insulator 574 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
- impurities such as water and hydrogen and oxygen.
- metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride or silicon nitride can be used.
- the insulator 574 By having the insulator 574, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 from diffusing into the oxide 530b via the oxide 530c and the insulator 550. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 due to the excess oxygen contained in the insulator 580.
- the insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 function as an interlayer film.
- the insulator 582 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the outside.
- the insulator 580 and the insulator 584 have a lower dielectric constant than the insulator 582, like the insulator 516.
- a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
- the transistor 510A may be electrically connected to another structure via a plug or wiring such as an insulator 580, an insulator 582, and a conductor 546 embedded in the insulator 584.
- a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as a single layer or laminated. ..
- a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity.
- it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.
- tantalum nitride which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen, and tungsten having high conductivity as the conductor 546, the conductivity as a wiring is maintained. , It is possible to suppress the diffusion of impurities from the outside.
- FIG. 12A is a top view of the transistor 510B.
- FIG. 12B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 12A.
- FIG. 12C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 12A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- Transistor 510B is a modified example of transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.
- the transistor 510B has a region in which the conductor 542 (conductor 542a and conductor 542b) and the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 overlap. With this structure, it is possible to provide a transistor having a high on-current. Further, it is possible to provide a transistor having high controllability.
- the conductor 560 functioning as the first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b on the conductor 560a.
- the conductor 560a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms, similarly to the conductor 505a.
- a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule).
- the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560b and prevent the conductivity from being lowered.
- the insulator 574 it is preferable to provide the insulator 574 so as to cover the upper surface and the side surface of the conductor 560, the side surface of the insulator 550, and the side surface of the oxide 530c.
- the insulator 574 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
- impurities such as water and hydrogen and oxygen.
- metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride or silicon nitride can be used.
- the insulator 574 By providing the insulator 574, the oxidation of the conductor 560 can be suppressed. Further, by having the insulator 574, it is possible to suppress the diffusion of impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 to the transistor 510B.
- an insulator 576 having a barrier property may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
- insulator 576a and insulator 576b may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
- the range of material selection of the conductor used for the plug and wiring can be expanded.
- a metal material having a property of absorbing oxygen and having high conductivity in the conductor 546 it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption.
- a material having low oxidation resistance but high conductivity such as tungsten and aluminum can be used.
- a conductor that is easy to form a film or process can be used.
- FIG. 13A is a top view of the transistor 510C.
- FIG. 13B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 13A.
- FIG. 13C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 13A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- Transistor 510C is a modified example of transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.
- the conductor 547a is arranged between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 547b is arranged between the conductor 542b and the oxide 530b.
- the conductor 542a extends beyond the upper surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the oxide 530b.
- the conductor 547 a conductor that can be used for the conductor 542 may be used.
- the film thickness of the conductor 547 is preferably at least thicker than that of the conductor 542.
- the transistor 510C shown in FIG. 13 can bring the conductor 542 closer to the conductor 560 than the transistor 510A.
- the conductor 560 can be overlapped with the end of the conductor 542a and the end of the conductor 542b.
- the substantial channel length of the transistor 510C can be shortened, and the on-current and frequency characteristics can be improved.
- the conductor 547a (conductor 547b) is provided so as to overlap with the conductor 542a (conductor 542b).
- the conductor 547a (conductor 547b) functions as a stopper and the oxide 530b is overetched. Can be prevented.
- the transistor 510C shown in FIG. 13 may have a configuration in which the insulator 545 is arranged in contact with the insulator 544.
- the insulator 544 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen and excess oxygen from being mixed into the transistor 510C from the insulator 580 side.
- an insulator that can be used for the insulator 544 can be used.
- a nitride insulator such as aluminum nitride, titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride may be used.
- the transistor 510C shown in FIG. 13 may be provided with the conductor 505 in a single layer structure.
- an insulating film to be the insulator 516 may be formed on the formed conductor 505, and the upper portion of the insulating film may be removed by a CMP method or the like until the upper surface of the conductor 505 is exposed. ..
- the average surface roughness (Ra) of the upper surface of the conductor 505 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, and more preferably 0.3 nm or less.
- FIG. 14A is a top view of the transistor 510D.
- FIG. 14B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 14A.
- 14C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 14A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- Transistor 510D is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
- the conductor 505 which has a function as a second gate, is also used as wiring without providing the conductor 503. Further, it has an insulator 550 on the oxide 530c and a metal oxide 552 on the insulator 550. Further, the conductor 560 is provided on the metal oxide 552, and the insulator 570 is provided on the conductor 560. Further, the insulator 571 is provided on the insulator 570.
- the metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion.
- the metal oxide 552 that suppresses the diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560 the diffusion of oxygen into the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 530.
- the oxidation of the conductor 560 by oxygen can be suppressed.
- the metal oxide 552 may have a function as a part of the first gate.
- an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552.
- the conductor 560 by forming the conductor 560 into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide 552 can be lowered to form a conductive layer. This can be called an OC electrode.
- the metal oxide 552 may have a function as a part of the gate insulating film. Therefore, when silicon oxide, silicon oxide nitride, or the like is used for the insulator 550, it is preferable to use a metal oxide which is a high-k material having a high relative permittivity as the metal oxide 552.
- a metal oxide which is a high-k material having a high relative permittivity as the metal oxide 552.
- the laminated structure it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
- the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulating layer that functions as the gate insulating film can be thinned.
- the metal oxide 552 is shown as a single layer in the transistor 510D, it may have a laminated structure of two or more layers.
- a metal oxide that functions as a part of the gate electrode and a metal oxide that functions as a part of the gate insulating film may be laminated and provided.
- the on-current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 560.
- the physical thickness of the insulator 550 and the metal oxide 552 keeps the distance between the conductor 560 and the oxide 530, so that the conductor 560 and the conductor 560 are separated from each other. The leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing the laminated structure of the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the oxide 530 and the electric field strength applied from the conductor 560 to the oxide 530 can be determined. It can be easily adjusted as appropriate.
- the metal oxide 552 it can be used as the metal oxide 552 by lowering the resistance of the oxide semiconductor that can be used for the oxide 530.
- a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used.
- hafnium oxide, hafnium aluminate, etc. which are insulating layers containing one or both oxides of aluminum or hafnium.
- hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step.
- the metal oxide 552 is not an essential component. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
- the insulator 570 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
- an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen For example, it is preferable to use aluminum oxide or hafnium oxide. As a result, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 by oxygen from above the insulator 570. Further, it is possible to prevent impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 from being mixed into the oxide 530 via the conductor 560 and the insulator 550.
- Insulator 571 functions as a hard mask. By providing the insulator 571, when the conductor 560 is processed, the side surface of the conductor 560 is approximately vertical, specifically, the angle formed by the side surface of the conductor 560 and the surface of the substrate is 75 degrees or more and 100 degrees or less. It can be preferably 80 degrees or more and 95 degrees or less.
- the insulator 571 may also function as a barrier layer by using an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 570 does not have to be provided.
- the insulator 571 as a hard mask to selectively remove a part of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the oxide 530c, these sides are made to substantially match. Moreover, a part of the surface of the oxide 530b can be exposed.
- the transistor 510D has a region 531a and a region 531b on a part of the surface of the exposed oxide 530b.
- One of the regions 531a or 531b functions as a source region and the other functions as a drain region.
- regions 531a and 531b introduces impurity elements such as phosphorus or boron into the exposed oxide 530b surface using, for example, ion implantation, ion doping, plasma implantation ion implantation, or plasma treatment. It can be realized by.
- the “impurity element” refers to an element other than the main component element.
- a metal film is formed after exposing a part of the surface of the oxide 530b, and then heat treatment is performed to diffuse the elements contained in the metal film into the oxide 530b to form a region 531a and a region 531b. You can also do it.
- the region 531a and the region 531b may be referred to as an "impurity region” or a "low resistance region”.
- the region 531a and the region 531b can be formed in a self-aligned manner. Therefore, the region 531a and / or the region 531b and the conductor 560 do not overlap, and the parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel formation region and the source / drain region (region 531a or region 531b). By forming the region 531a and the region 531b in a self-aligned manner, it is possible to increase the on-current, reduce the threshold voltage, improve the operating frequency, and the like.
- An offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region in order to further reduce the off current.
- the offset region is a region having a high electrical resistivity and is a region in which the above-mentioned impurity elements are not introduced.
- the formation of the offset region can be realized by introducing the above-mentioned impurity element after the formation of the insulator 575.
- the insulator 575 also functions as a mask in the same manner as the insulator 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region of the oxide 530b that overlaps with the insulator 575, and the electrical resistivity of the region can be kept high.
- the transistor 510D has an insulator 570, a conductor 560, a metal oxide 552, an insulator 550, and an insulator 575 on the side surface of the oxide 530c.
- the insulator 575 is preferably an insulator having a low relative permittivity. For example, with silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide with fluorine, silicon oxide with carbon, silicon oxide with carbon and nitrogen, silicon oxide with pores, or resin. It is preferable to have.
- silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having pores in the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step.
- silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
- the insulator 575 preferably has a function of diffusing oxygen.
- the transistor 510D has an insulator 575 and an insulator 574 on the oxide 530.
- the insulator 574 is preferably formed by a sputtering method. By using the sputtering method, an insulator having few impurities such as water or hydrogen can be formed. For example, aluminum oxide may be used as the insulator 574.
- the oxide film using the sputtering method may extract hydrogen from the structure to be filmed. Therefore, the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 530 and the insulator 575, so that the hydrogen concentration of the oxide 530 and the insulator 575 can be reduced.
- FIG. 15A is a top view of the transistor 510E.
- FIG. 15B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 15A.
- FIG. 15C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 15A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- Transistor 510E is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
- a region 531a and a region 531b are provided on a part of the surface of the exposed oxide 530b without providing the conductor 542.
- One of the regions 531a or 531b functions as a source region and the other functions as a drain region.
- an insulator 573 is provided between the oxide 530b and the insulator 574.
- the region 531 (region 531a and region 531b) shown in FIG. 15 is a region in which the following elements are added to the oxide 530b.
- Region 531 can be formed, for example, by using a dummy gate.
- the element is added to the region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, and the region 531 is formed.
- the method for adding the element include an ion implantation method in which ionized raw material gas is mass-separated and added, an ion doping method in which ionized raw material gas is added without mass separation, and a plasma imaging ion implantation method. Can be used.
- Typical examples of the element that lowers the resistance of oxide 530 include boron and phosphorus. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas and the like may be used. Typical examples of rare gases include helium, neon, argon, krypton, xenon and the like. The concentration of the element may be measured using SIMS or the like.
- boron and phosphorus are preferable because the equipment of the production line of amorphous silicon or low-temperature polysilicon can be used. Existing equipment can be diverted and capital investment can be suppressed.
- an insulating film to be an insulator 573 and an insulating film to be an insulator 574 may be formed on the oxide 530b and the dummy gate.
- one of the insulating films that becomes the insulator 580 by providing an insulating film that becomes the insulator 580 on the insulating film that becomes the insulator 574 and then performing CMP treatment on the insulating film that becomes the insulator 580. Remove the part and expose the dummy gate. Subsequently, when removing the dummy gate, it is preferable to remove a part of the insulator 573 in contact with the dummy gate. Therefore, the insulator 574 and the insulator 573 are exposed on the side surface of the opening provided in the insulator 580, and a part of the region 531 provided in the oxide 530b is exposed on the bottom surface of the opening. To do.
- an oxide film to be an oxide 530c, an insulating film to be an insulator 550, and a conductive film to be a conductor 560 are sequentially formed in the opening, and then CMP treatment or the like is performed until the insulator 580 is exposed.
- the transistor shown in FIG. 15 can be formed by removing a part of the oxide film that becomes the oxide 530c, the insulating film that becomes the insulator 550, and the conductive film that becomes the conductor 560.
- the insulator 573 and the insulator 574 are not essential components. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
- the transistor shown in FIG. 15 can be diverted from an existing device, and further, since the conductor 542 is not provided, the cost can be reduced.
- FIG. 16A is a top view of the transistor 510F.
- FIG. 16B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 16A.
- 16C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 16A.
- some elements are omitted for the sake of clarity.
- Transistor 510F is a modified example of transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
- a part of the insulator 574 is provided in the opening provided in the insulator 580 and is provided so as to cover the side surface of the conductor 560.
- an opening is formed by removing a part of the insulator 580 and the insulator 574.
- an insulator 576 having a barrier property may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
- insulator 576a and insulator 576b may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
- the oxide 530 When an oxide semiconductor is used as the oxide 530, it is preferable to have a laminated structure of a plurality of oxide layers having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b.
- the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530a.
- the oxide 530c a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.
- Oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c preferably have crystallinity, and it is particularly preferable to use CAAC-OS.
- Crystalline oxides such as CAAC-OS have a dense structure with high crystallinity with few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, it is possible to suppress the extraction of oxygen from the oxide 530b by the source electrode or the drain electrode. As a result, oxygen can be reduced from being extracted from the oxide 530b even if heat treatment is performed, so that the transistor 510F is stable against a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process.
- Oxide 530 may be a single layer of oxide 530b.
- the oxide 530 is a laminate of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c
- the energy of the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is higher than the energy of the lower end of the conduction band of the oxide 530b.
- the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is smaller than the electron affinity of the oxide 530b.
- the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable.
- the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 530b.
- the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 530c.
- the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
- the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously bonded.
- the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, so that a mixed layer having a low defect level density is formed.
- a common element (main component) other than oxygen so that a mixed layer having a low defect level density is formed.
- the oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.
- the oxide 530c may have a laminated structure.
- a laminated structure with gallium oxide can be used.
- a laminated structure of an In-Ga-Zn oxide and an oxide containing no In may be used as the oxide 530c.
- the metal oxide of the above may be used.
- In: Ga: Zn 5: 1: 3 [atomic number ratio] or its vicinity, or 10: 1: 3 [atomic number ratio] or its vicinity, metal oxide, or In-Zn oxidation. You can use a thing.
- a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b may be used.
- the composition in the vicinity includes a range of ⁇ 30% of the desired atomic number ratio.
- the oxide 530c may have a laminated structure of two or more layers.
- the composition of In: Ga: Zn 5: 1: 3 [atomic number ratio] or its vicinity, or 10: 1: 3 as the lower layer of the oxide 530c.
- the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 510F can obtain high on-current and high frequency characteristics.
- the oxide 530c has a laminated structure, in addition to the effect of lowering the defect level density at the interface between the oxide 530b and the oxide 530c, the constituent elements of the oxide 530c are on the insulator 550 side. It is expected to suppress the spread to.
- the oxide 530c has a laminated structure and the oxide containing no In is positioned above the laminated structure, In that can be diffused to the insulator 550 side can be suppressed. Since the insulator 550 functions as a gate insulator, if In is diffused, the characteristics of the transistor become poor. Therefore, by forming the oxide 530c in a laminated structure, it is possible to provide a highly reliable display device.
- the oxide 530 it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor.
- the metal oxide serving as the channel forming region of the oxide 530 it is preferable to use an oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more.
- the off-current of the transistor can be reduced.
- a semiconductor device having low power consumption can be provided.
- FIG. 17 shows an example in which the conductor 692 is provided on the insulator 650 in the semiconductor device shown in FIG.
- the conductor 692 is formed so as to cover one surface of the semiconductor device.
- the conductor 692 may have an opening.
- a conductor electrically connected to a conductor below the insulator 650 may be provided in the opening.
- a metal can be used as the conductor 692.
- a conductive metal nitride or metal oxide may be used.
- titanium, titanium nitride, titanium oxide or the like can be used as the conductor 692.
- the conductor 692 has a function of blocking or weakening electromagnetic waves from the outside as compared with the semiconductor device. Further, the conductor 692 has a function of diffusing and releasing static electricity or preventing the localization of electric charges. By providing the conductor 692, the operation of the semiconductor device can be further stabilized.
- FIG. 18 shows an example in which the insulator 693 is provided between the insulator 650 and the conductor 692.
- the insulator 693 for example, a structure in which a fiber body is impregnated with an organic resin can be used.
- glass fiber may be used as the fiber body.
- a brominated epoxy resin may be used as the organic resin.
- Metal Oxide As the oxide 530, it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor. Hereinafter, the metal oxide applicable to the oxide 530 according to the present invention will be described.
- the metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. Further, in addition to indium and zinc, it is preferable that gallium, yttrium, tin and the like are contained. In addition, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like may be contained.
- the metal oxide is an In-M-Zn oxide having indium, the element M, and zinc.
- the element M is one or more elements selected from aluminum, gallium, yttrium, and tin. Examples of elements applicable to the other element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium.
- the element M a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.
- a metal oxide having nitrogen may also be collectively referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
- Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors.
- the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS, polycrystalline oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor), and the like. And amorphous oxide semiconductors.
- CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction.
- the strain refers to a region in which a plurality of nanocrystals are connected, in which the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned.
- Nanocrystals are basically hexagons, but they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. In addition, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in distortion.
- CAAC-OS it is difficult to confirm a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Because.
- CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as the (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can be expressed as the (In, M) layer.
- CAAC-OS is a highly crystalline metal oxide.
- CAAC-OS it is difficult to confirm a clear grain boundary, so it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary is unlikely to occur.
- CAAC-OS since the crystallinity of the metal oxide may be lowered due to the mixing of impurities or the formation of defects, CAAC-OS can be said to be a metal oxide having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, the metal oxide having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the metal oxide having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
- the nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less).
- nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, nc-OS may be indistinguishable from a-like OS and amorphous oxide semiconductors depending on the analysis method.
- In-Ga-Zn oxide which is a kind of metal oxide having indium, gallium, and zinc, may have a stable structure by forming the above-mentioned nanocrystals. is there.
- IGZO tends to have difficulty in crystal growth in the atmosphere, it is preferable to use smaller crystals (for example, the above-mentioned nanocrystals) than large crystals (here, a few mm crystal or a few cm crystal). However, it may be structurally stable.
- the a-like OS is a metal oxide having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
- the a-like OS has a void or low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and CAAC-OS.
- Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics.
- the oxide semiconductor of one aspect of the present invention may have two or more of amorphous oxide semiconductor, polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.
- Impurities mixed in oxide semiconductors may cause defect levels or oxygen deficiencies. Therefore, when impurities are mixed in the channel formation region of the oxide semiconductor, the electrical characteristics of the transistor using the oxide semiconductor are liable to fluctuate, and the reliability may be deteriorated. Further, when the channel formation region contains oxygen deficiency, the transistor tends to have a normally-on characteristic.
- the above defect level may include a trap level.
- the charge captured at the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor having a metal oxide having a high trap level density in the channel forming region may have unstable electrical characteristics.
- the crystallinity of the channel forming region may be lowered, or the crystallinity of the oxide provided in contact with the channel forming region may be lowered. Poor crystallinity in the channel formation region tends to reduce the stability or reliability of the transistor. Further, if the crystallinity of the oxide provided in contact with the channel forming region is low, an interface state may be formed and the stability or reliability of the transistor may be deteriorated.
- Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.
- the concentration of the impurities obtained by SIMS is set to 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
- the concentration of the impurities obtained by elemental analysis using EDX in the channel formation region of the oxide semiconductor and its vicinity is set to 1.0 atomic% or less.
- the concentration ratio of the impurities to the element M in the channel forming region of the oxide semiconductor and its vicinity is set to less than 0.10, preferably 0.05. To less than.
- the concentration of the element M used in calculating the concentration ratio may be the concentration in the same region as the region in which the concentration of the impurities is calculated, or may be the concentration in the oxide semiconductor.
- the metal oxide with reduced impurity concentration has a low defect level density, so the trap level density may also be low.
- V O H acts as a donor, sometimes electrons serving as carriers are generated.
- a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier.
- a transistor using an oxide semiconductor containing a large amount of hydrogen tends to have normal-on characteristics. Further, since hydrogen in the oxide semiconductor easily moves due to stress such as heat and electric field, if the oxide semiconductor contains a large amount of hydrogen, the reliability of the transistor may deteriorate.
- the highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic it is preferable that the highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic.
- the V O H to obtain a sufficiently reduced oxide semiconductor, the moisture in the oxide semiconductor, to remove impurities such as hydrogen and (dehydration, may be described as dehydrogenation) , It is important to supply oxygen to the oxide semiconductor to compensate for the oxygen deficiency (sometimes referred to as oxygenation treatment).
- the V O H oxide semiconductor impurity is sufficiently reduced such by using a channel formation region of the transistor, it is possible to have stable electrical characteristics.
- an oxide semiconductor having a low carrier concentration for the transistor When the carrier concentration of the oxide semiconductor is lowered, the impurity concentration in the oxide semiconductor may be lowered to lower the defect level density.
- a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.
- impurities in the oxide semiconductor include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon and the like.
- hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency in the oxide semiconductor. If the channel formation region in the oxide semiconductor contains oxygen deficiency, the transistor may have a normally-on characteristic. Furthermore, a defect containing hydrogen in an oxygen deficiency may function as a donor and generate electrons as carriers. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing a large amount of hydrogen tends to have a normally-on characteristic.
- Defects containing hydrogen to an oxygen vacancy (V O H) can function as a donor of the oxide semiconductor.
- the carrier concentration may be evaluated instead of the donor concentration. Therefore, in the present specification and the like, as a parameter of the oxide semiconductor, a carrier concentration assuming a state in which an electric field is not applied may be used instead of the donor concentration. That is, the "carrier concentration" described in the present specification and the like may be paraphrased as the "donor concentration".
- the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
- the carrier concentration of the oxide semiconductor in the channel forming region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, more preferably less than 1 ⁇ 10 17 cm -3 , and 1 ⁇ 10 16 cm -3. It is more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , even more preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3 .
- the lower limit of the carrier concentration of the oxide semiconductor in the channel formation region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
- a semiconductor device having good reliability it is possible to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a large on-current. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Another object of one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having low power consumption.
- the semiconductor material that can be used for the oxide 530 is not limited to the above-mentioned metal oxide.
- a semiconductor material having a bandgap (a semiconductor material that is not a zero-gap semiconductor) may be used.
- a semiconductor of a single element such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, a layered substance (also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, etc.) that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
- a layered substance also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, etc.
- the layered substance is a general term for a group of materials having a layered crystal structure.
- a layered crystal structure is a structure in which layers formed by covalent bonds or ionic bonds are laminated via bonds weaker than covalent bonds or ionic bonds, such as van der Waals forces.
- the layered material has high electrical conductivity in the unit layer, that is, high two-dimensional electrical conductivity.
- a chalcogenide is a compound containing a chalcogen.
- chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16, and includes oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermorium.
- Examples of chalcogenides include transition metal chalcogenides and group 13 chalcogenides.
- oxide 530 for example, it is preferable to use a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor.
- Specific transition metal chalcogenides applicable as oxide 530 include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenate (typically MoSe 2 ), and molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ).
- Tungsten sulfide typically WS 2
- Tungsten disulfide typically WSe 2
- Tungsten tellurium typically WTe 2
- Hafnium sulfide typically HfS 2
- Hafnium serene typically typically
- Typical examples include HfSe 2 ), zirconium sulfide (typically ZrS 2 ), and zirconium selenium (typically ZrSe 2 ).
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Abstract
新規な発振器、増幅回路、インバータ回路、増幅回路、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、 半導体装置及び電気機器等を提供する。 金属酸化物を有する第1トランジスタ及び第2乃至第5トランジスタを有する発振器を有し、第1 トランジスタをオン状態とし、第2トランジスタのゲートおよび第3トランジスタのゲートに第1 の電位を与え、第1トランジスタをオフ状態とし、第1の電位を保持し、発振器は第1の電位に応 じた第1の信号を第1の回路に与え、第1の回路は第1の信号を整形および増幅の少なくとも一を 行う半導体装置。第2トランジスタと第4トランジスタは直列に接続し、第3トランジスタと第5 トランジスタは直列に接続し、第3トランジスタのソースまたはドレインが第4トランジスタのゲ ートに、第4トランジスタのソースまたはドレインが第3トランジスタのゲートに、それぞれ電気 的に接続される。
Description
本発明の一態様は、半導体装置、及び半導体装置の動作方法に関する。また、本発明の一態様は、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、及び電気機器に関する。
なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
発振器は無線通信機等の様々な機器に広く用いられている。特許文献1には、発振器に用いられる負性インピーダンス回路の一例が示されている。
本発明の一態様は、新規な発振器、新規な増幅回路、新規なインバータ回路、新規な増幅回路、新規な電池制御回路、新規な電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の発振器、インバータ回路、増幅回路、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することを課題の一とする。
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した課題、及び/又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。
本発明の一態様は、第1のトランジスタと、発振器と、第1の配線と、第2の配線と、第1の回路と、を有し、発振器は、第1の配線、第2の配線および第1の回路のそれぞれと電気的に接続され、第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートは、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第1の回路と、第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第1の配線は、第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、第3のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、に電気的に接続される半導体装置である。
また、上記構成において、第1の回路はインバータおよびバッファの少なくとも一と、入力端子と、を有し、第4のトランジスタのゲートは、入力端子に電気的に接続され、第1の回路は、入力端子に与えられる信号の整形および増幅の少なくとも一を行う機能を有する半導体装置である。
また、上記構成において、第2のトランジスタ乃至第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。
また、上記構成において、第2の容量素子を有し、第2の容量素子の一方の電極は、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2の容量素子の他方の電極は、第1の配線に電気的に接続されることが好ましい。
また、上記構成において、第2の配線を有し、第1の回路は、第1の配線と第2の配線の間に直列に接続される二以上のトランジスタを有し、第1の回路が有する二以上のトランジスタの一は、ソースおよびドレインの一方が第1の配線に電気的に接続され、ゲートが第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第1の配線には低電位信号が与えられ、第2の配線には高電位信号が与えられることが好ましい。
また、上記構成において、抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、第1の配線は第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、電気的に接続され、抵抗素子の他方の電極は第2の配線に、電気的に接続され、第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第1の電位が保持される期間において、第6のトランジスタおよび第7のトランジスタの少なくとも一をオフ状態とし、第1の配線と第2の配線の間に流れる電流を遮断する機能を有し、第1の配線には低電位信号が与えられ、第2の配線には高電位信号が与えられることが好ましい。
また、上記構成において、第1の回路は、n個のトランジスタ(nは2以上の自然数)を有し、第1の回路が有するn個のトランジスタは、第1の配線と第2の配線の間に直列に接続され、第1の回路が有するn個のトランジスタは、隣接する2つのトランジスタにおいて、一方のトランジスタのソースまたはドレインと他方のトランジスタのソースまたはドレインが電気的に接続され、第4のトランジスタのゲートは、第1の回路が有するn個のトランジスタの少なくとも一のゲートに電気的に接続されることが好ましい。
また、上記構成において、第1の回路は、n個のトランジスタ(nは2以上の自然数)を有し、第1の回路が有するn個のトランジスタは、第1の配線と第2の配線の間に直列に接続され、第1の回路が有するn個のトランジスタのうち、第(m−1)のトランジスタ(mは3以上n以下の自然数)のソースまたはドレインは、第(m−2)のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第1の回路が有するn個のトランジスタのうち、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方は第1の配線に、他方は第2のトランジスタのソースまたはドレインに、それぞれ電気的に接続され、第1の回路が有するn個のトランジスタのうち、第nのトランジスタのソースおよびドレインの一方は第2の配線に、他方は第(n−1)のトランジスタのソースまたはドレインに、それぞれ電気的に接続され、第4のトランジスタのゲートは、第1の回路が有するn個のトランジスタの少なくとも一つのゲートに電気的に接続されることが好ましい。
または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置と、コンパレータと、第8のトランジスタと、を有し、コンパレータの非反転入力端子および反転入力端子の一方は、二次電池の正極と電気的に接続され、他方は、第8のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、第8のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、第8のトランジスタをオン状態にすることにより、第1の電位を非反転入力端子および反転入力端子の他方に与え、第8のトランジスタをオフ状態にすることにより、第1の電位を保持する機能を有し、コンパレータは、正極の電位と第2の電位の比較結果に応じた出力信号を出力する機能を有し、発振器は、出力信号に応じて第1の配線と第2の配線の間の電流を遮断する機能を有する蓄電装置である。
または、本発明の一態様は、発振器と、第1のトランジスタと、第1の回路と、を有し、第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、第1の回路は、入力端子を有し、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートは、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第1の回路が有する入力端子と、第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第1のトランジスタをオン状態とし、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートに第1の電位を与える第1のステップと、発振器が第1の電位に応じた第1の信号を、第1の回路が有する入力端子に与える第2のステップと、第1のトランジスタをオフ状態とし、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートに与えられた第1の電位が保持される第3のステップと、第1の回路が第1の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第4のステップと、を有する半導体装置の動作方法である。
また、上記構成において、第1の配線と、第2の配線と、抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、第1の配線は第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、抵抗素子の他方の電極は第2の配線に、それぞれ電気的に接続され、第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第1のステップにおいて、第1の配線には低電位信号が、第2の配線には高電位信号が、それぞれ与えられ、第3のステップにおいて、第1のトランジスタをオフ状態とした後、第6のトランジスタおよび第7のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、第1の配線と第2の配線との間に流れる電流が遮断されることが好ましい。
また、上記構成において、第2の容量素子を有し、第2の容量素子の一方の電極は、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2の容量素子の他方の電極は、第1の配線に電気的に接続されることが好ましい。
また、上記構成において、第1の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有することが好ましい。
また、上記構成において、第2のトランジスタ乃至第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。
または、本発明の一態様は、発振器と、第1のトランジスタと、第1の回路と、第2の回路と、第1の配線と、を有し、第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、第1の回路は、入力端子を有し、第1の配線は、第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続され、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートは、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第3のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第1の回路と、第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第2の回路は、二次電池の正極と電気的に接続され、第1の電位を第2の回路に与える第1のステップと、第1の電位を保持する第2のステップと、第2の回路が、第2の信号を出力する第3のステップと、第2の回路が、第1の配線に低電位信号を与える第4のステップと、第1のトランジスタをオン状態とし、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートに第2の電位を与える第5のステップと、発振器が第2の電位に応じた第2の信号を第1の回路が有する入力端子に与える第6のステップと、第1のトランジスタをオフ状態とし、第2のトランジスタのゲートおよび第3のトランジスタのゲートに与えられた第2の電位が保持される第7のステップと、第1の回路が第2の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第8のステップと、を有する半導体装置の動作方法である。
また、上記構成において、第2の配線と、抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、第1の配線は第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、抵抗素子の他方の電極は第2の配線に、それぞれ電気的に接続され、第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第7のステップにおいて、第1のトランジスタをオフ状態とした後、第6のトランジスタおよび第7のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、第1の配線と第2の配線との間に流れる電流が遮断されることが好ましい。
また、上記構成において、第2の容量素子を有し、第2の容量素子の一方の電極は、第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第2の容量素子の他方の電極は、第1の配線に電気的に接続されることが好ましい。
また、上記構成において、第1の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有することが好ましい。
また、上記構成において、第2のトランジスタ乃至第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。
本発明の一態様により、新規な発振器、新規な増幅回路、新規なインバータ回路、新規な増幅回路、新規な電池制御回路、新規な電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することができる。また、本発明の一態様により、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の発振器、インバータ回路、増幅回路、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することができる。
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び/又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
図1は半導体装置の構成例を示す回路図である。
図2は半導体装置の構成例を示す回路図である。
図3Aは回路の構成例を示す図である。図3Bは回路の構成例を示す図である。図3Cは回路の構成例を示す図である。図3Dは回路の構成例を示す図である。
図4Aは回路の構成例を示す図である。図4Bは回路の構成例を示す図である。図4Cは回路の構成例を示す図である。図4Dは回路の構成例を示す図である。図4Eは回路の構成例を示す図である。
図5は半導体装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
図6Aは半導体装置の構成例を示す回路図である。図6Bは半導体装置の構成例を示す回路図である。
図7Aは増幅回路の構成例を示す回路図である。図7Bは増幅回路の構成例を示す回路図である。
図8Aは二次電池および半導体装置の一例を示す回路図である。図8Bは半導体装置の動作の一例を説明する図である。
図9は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図10Aはトランジスタの構造例を示す断面図である。図10Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図10Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図11Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図11Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図11Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図12Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図12Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図12Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図13Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図13Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図13Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図14Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図14Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図14Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図15Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図15Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図15Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図16Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図16Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図16Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図17は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図18は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図2は半導体装置の構成例を示す回路図である。
図3Aは回路の構成例を示す図である。図3Bは回路の構成例を示す図である。図3Cは回路の構成例を示す図である。図3Dは回路の構成例を示す図である。
図4Aは回路の構成例を示す図である。図4Bは回路の構成例を示す図である。図4Cは回路の構成例を示す図である。図4Dは回路の構成例を示す図である。図4Eは回路の構成例を示す図である。
図5は半導体装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
図6Aは半導体装置の構成例を示す回路図である。図6Bは半導体装置の構成例を示す回路図である。
図7Aは増幅回路の構成例を示す回路図である。図7Bは増幅回路の構成例を示す回路図である。
図8Aは二次電池および半導体装置の一例を示す回路図である。図8Bは半導体装置の動作の一例を説明する図である。
図9は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図10Aはトランジスタの構造例を示す断面図である。図10Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図10Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図11Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図11Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図11Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図12Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図12Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図12Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図13Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図13Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図13Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図14Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図14Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図14Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図15Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図15Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図15Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図16Aはトランジスタの構造例を示す上面図である。図16Bはトランジスタの構造例を示す断面図である。図16Cはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図17は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図18は半導体装置の構成例を示す断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。
また、上面図(「平面図」ともいう)や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において「端子」は例えば、配線、あるいは配線に接続される電極を指す場合がある。また、本明細書等において「配線」の一部を「端子」と呼ぶ場合がある。
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含む場合を除外しない。
また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。
なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス20%の誤差を含むものとする。
また、本明細書において、レジストマスクを形成した後にエッチング処理を行う場合は、特段の説明がない限り、レジストマスクは、エッチング処理終了後に除去するものとする。
また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位またはソース電位)との電位差のことを示す場合が多い。よって、「電圧」と「電位」は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示が無いかぎり、「電圧」と「電位」を言い換えることができるものとする。
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。
なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態(「導通状態」ともいう)をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態(「非導通状態」ともいう)をいう。
また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。
また、本明細書等において、高電位信号とは、低電位信号よりも高い電位の電源電位を示す。また、低電位信号とは、高電位信号よりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位を高電位信号または低電位信号として用いることもできる。例えば高電位信号が接地電位の場合には、低電位信号は接地電位より低い電位であり、低電位信号が接地電位の場合には、高電位信号は接地電位より高い電位である。また、高電位信号を高電源電位と呼ぶ場合がある。また、低電位信号を低電源電位と呼ぶ場合がある。
また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およびゲート配線の一部または全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およびソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例を説明する。
<半導体装置の例>
図1に示す半導体装置21は、発振器30と、回路31と、回路32と、配線VD1と、配線VS1と、を有する。配線VD1および配線VS1はそれぞれ、発振器30、回路31および回路32に電気的に接続される。例えば配線VD1には高電位信号が与えられ、配線VS1には低電位信号が与えられる。
図1に示す半導体装置21は、発振器30と、回路31と、回路32と、配線VD1と、配線VS1と、を有する。配線VD1および配線VS1はそれぞれ、発振器30、回路31および回路32に電気的に接続される。例えば配線VD1には高電位信号が与えられ、配線VS1には低電位信号が与えられる。
発振器30は、トランジスタ42、トランジスタ43、トランジスタ44、トランジスタ45、容量素子51、端子OU1および端子OU2を有する。回路32が有する端子VBI1は、発振器30等に電気的に接続される。端子VBI1は信号Sv1を発振器30等に与える機能を有する。
トランジスタ42のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ44のソースおよびドレインの一方と、容量素子51の一方の電極と、ノードND1と、に電気的に接続される。またトランジスタ43のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ45のソースおよびドレインの一方と、容量素子51の他方の電極と、ノードND2と、に電気的に接続される。またトランジスタ44のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ45のゲートと、端子OU2と、ノードND3と、に電気的に接続される。またトランジスタ45のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ44のゲートと、端子OU1と、ノードND4と、に電気的に接続される。トランジスタ42のソースおよびドレインの他方と、トランジスタ43のソースおよびドレインの他方と、は配線VS1に電気的に接続される。
端子OU1は、回路31が有する端子IN2に電気的に接続される。
また発振器30は、トランジスタ54およびトランジスタ55を有することが好ましい。図1において、トランジスタ54のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ45のゲートと電気的に接続される。またトランジスタ54のソースおよびドレインの他方と、ゲートと、は配線VD1に電気的に接続される。またトランジスタ55のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ44のゲートと電気的に接続される。またトランジスタ55のソースおよびドレインの他方と、ゲートと、は配線VD1に電気的に接続される。
また、トランジスタ54およびトランジスタ55に替えて、抵抗素子を用いてもよい。あるいは、直列に接続され、互いのゲートが電気的に接続された複数のトランジスタを用いてもよい。
発振器30は、例えば、容量素子51の容量値、トランジスタ44およびトランジスタ45のしきい値、トランジスタ44およびトランジスタ45に流れる電流、等に応じて決められる周波数の信号を、端子OU1等に出力する機能を有する。
発振器30はSource Coupled Voltage Controlled Oscillatorと呼ばれる場合がある。
トランジスタ42およびトランジスタ43のゲートは、端子VBI1に電気的に接続される。トランジスタ42およびトランジスタ43のドレイン電流の大きさは、端子VBI1より与えられる信号Sv1により制御することができる。よって、発振器30において、トランジスタ44およびトランジスタ44を流れる電流の大きさは、信号Sv1により制御することができる。
また、信号Sv1を変更することにより、発振器30の周波数を調整することができる。
回路31はインバータ53を有する。なお回路31はインバータに替えてバッファ回路を有してもよい。回路31は、端子IN2に与えられる信号の整形、増幅、等を行う機能を有することが好ましい。
図1に示す回路31は、インバータ53と、トランジスタ61と、端子IN2と、端子OU3と、を有する。インバータ53は端子IN2から入力される信号を、端子OU3に出力する機能を有する。
インバータ53には配線VD1から高電位信号が与えられる。トランジスタ61のソースおよびドレインの一方はインバータ53に、他方は配線VS1に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ61がオン状態の場合には、配線VS1からトランジスタ61を介してインバータ53に低電位信号が与えられる。
トランジスタ61のゲートは、端子VBI1に電気的に接続される。トランジスタ61のドレイン電流の大きさは、端子VBI1より与えられる信号Sv1により制御することができる。よって、回路31において、インバータ53を経由して配線VD1と配線VS1の間を流れる電流は、信号Sv1により制御することができる。よって回路31に必要以上の電力を流さず、回路31の消費電力を低減することができる。
図1に示す回路32は、トランジスタ41と、端子VBI1と、端子SH1と、端子EN1と、を有する。トランジスタ41のソースおよびドレインの一方は、端子VBI1に電気的に接続される。トランジスタ41のゲートには、端子SH1が電気的に接続される。また、回路32は容量素子52を有することが好ましい。図1において、容量素子52の一方の電極はトランジスタ41の端子SH1に電気的に接続され、他方は配線VS1に電気的に接続される。
回路32の詳細については後述する。
半導体装置21が有するトランジスタはバックゲートを有してもよい。図2に示す半導体装置21において、トランジスタ42、トランジスタ43、トランジスタ44、トランジスタ45、トランジスタ54、トランジスタ55およびトランジスタ61のバックゲートは、それぞれのトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、トランジスタ41のバックゲートは、配線VS1に電気的に接続される。
図2に示す半導体装置21においては、トランジスタ42、トランジスタ43、トランジスタ44、トランジスタ45、トランジスタ54、トランジスタ55およびトランジスタ61のバックゲートがソースまたはドレインに電気的に接続される例を示すが、トランジスタのバックゲートに所望の電位を与え、該電位を固定してもよい。所望の電位は例えば、配線VS1の電位でもよい。あるいはバックゲートに与えられる電位は、いくつかの電位から選ばれる1つの電位でもよい。あるいは、時間と共に変化する値でもよい。また、バックゲートが、ゲート絶縁体および半導体層を挟んで対となるゲートに電気的に接続されてもよい。
図3A、図3B、図3Cおよび図3Dには、回路32の具体的な構成の例を示す。回路32は、端子VBI1から所望の電位を出力し、保持する機能を有する。
図3Aに示す回路32は、トランジスタ41と、トランジスタ46aと、トランジスタ47aと、容量素子52と、抵抗素子RL1と、を有する。図3Aにおいて、トランジスタ41のソースおよびドレインの一方は、端子VBI1と、容量素子52の一方の電極と、に電気的に接続される。容量素子52の他方の電極は、配線VS1に電気的に接続される。トランジスタ41のソースおよびドレインの他方は、抵抗素子RL1の一方の端子と、トランジスタ47aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ47aのゲートと、に電気的に接続される。トランジスタ41のゲートには、端子SH1が電気的に接続される。抵抗素子RL1の他方の端子は、配線VD1に電気的に接続される。トランジスタ47aのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ46aのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタ46aのソースおよびドレインの他方は、配線VS1に電気的に接続される。トランジスタ46aのゲートには端子EN1が電気的に接続される。
抵抗素子として、トランジスタを用いてもよい。また、抵抗素子は電流源であってもよい。例えば、抵抗素子に替えて、電流生成回路を接続し、該回路からの電流を与えてもよい。
図3Bに示す回路32は、トランジスタ41と、トランジスタ46aと、トランジスタ47aと、容量素子52と、抵抗素子RL1と、を有する。図3Bに示す回路32は、トランジスタ41のソースおよびドレインの一方ではなく、端子VBI1が、トランジスタ47aのゲートに電気的に接続される点が図3Aと異なる。
図3Cに示す回路32は、トランジスタ41と、トランジスタ46bと、トランジスタ47bと、容量素子52と、抵抗素子RL1と、を有する。図3Cにおいて、トランジスタ41のソースおよびドレインの一方は、端子VBI1と、容量素子52の一方の電極と、に電気的に接続される。容量素子52の他方の電極は、配線VS1に電気的に接続される。トランジスタ41のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ47bのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ46bのゲートと、トランジスタ46bのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続される。トランジスタ41のゲートには、端子SH1が電気的に接続される。トランジスタ46bのソースおよびドレインの他方は、配線VS1に電気的に接続される。トランジスタ47bのソースおよびドレインの他方は、抵抗素子RL1の一方の端子に接続される。抵抗素子RL1の他方の端子は配線VD1に電気的に接続される。トランジスタ47bのゲートには端子EN1が電気的に接続される。
図3Dに示す回路32は、トランジスタ41と、トランジスタ46bと、トランジスタ47bと、容量素子52と、抵抗素子RL1と、を有する。図3Dに示す回路32は、トランジスタ41のソースおよびドレインの一方ではなく、端子VBI1が、トランジスタ46bのゲートに電気的に接続される点が図3Cと異なる。なお、図3A、図3B、図3Cおよび図3D等においては、トランジスタ41のバックゲートが配線VS1に電気的に接続される例を示すが、トランジスタ41のバックゲートは配線VS1とは異なる電位を出力する端子に電気的に接続されてもよい。あるいは、トランジスタ41のバックゲートはトランジスタ41のソースおよびドレインの一方に電気的に接続されてもよい。あるいは、トランジスタのバックゲートは、ゲート絶縁体および半導体層を挟んで対となるゲートに電気的に接続されてもよい。
トランジスタ41として、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(以下、OSトランジスタという)を用いることにより、そのオフ電流を極めて低くすることができる。トランジスタ41をオン状態として端子VBI1に好適な電位を与えた後、トランジスタ41をオフ状態とすることにより浮遊状態とし、与えた電位を保持することにより、ノードND2に電位をプログラミングすることができる。
OSトランジスタについて、詳細は後述する。
端子SH1にトランジスタ41がオン状態となる電位を与えてトランジスタ41をオン状態とし、端子VBI1に信号Sv1として所望の電位を与える。その後、端子SH1にトランジスタがオフ状態となる電位を与えてトランジスタ41をオフ状態とし、端子VBI1の電位が保持される。トランジスタ41としてOSトランジスタを用いることにより、端子VBI1から与えられる電位を長時間、好ましくは1分以上、より好ましくは1時間以上、さらに好ましくは10時間以上保持することができる。
その後、端子EN1にトランジスタ46aまたはトランジスタ46bがオフ状態となる電位を与え、回路32において抵抗素子RL1等を経由して配線VD1と配線VS1の間を流れる電流を遮断することができる。該電流を遮断することにより、回路32の消費電力を大幅に低減することができる。
トランジスタ46aおよびトランジスタ46bの少なくとも一方にOSトランジスタを用いることが好ましい。より具体的には、たとえば、トランジスタ46aおよびトランジスタ46bのうち、端子EN1がゲートに電気的に接続されるトランジスタとして、OSトランジスタを用いることにより、回路32において配線VD1と配線VS1の間を流れる電流を遮断する場合において、リーク電流を極めて低くすることができる。
また、端子EN1にトランジスタ46aまたはトランジスタ46bがオフ状態となる電位を与えた後、回路32に信号、電源、電流、等を与える各回路、例えば制御回路、電源回路、電流生成回路、電圧生成回路、電流源、定電流源、等をオフ状態としてもよい。これらの回路をオフ状態とすることにより消費電力を低減することができる。
また、図1に示す半導体装置が有する発振器30、回路31および回路32が有するトランジスタを全て、OSトランジスタとしてもよい。図1に示す半導体装置が有する発振器30、回路31および回路32が有するトランジスタを全て、単極性、例えばnチャネル型トランジスタで構成することができる。例えば、全てのトランジスタをnチャネル型のOSトランジスタで構成することができる。
チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(以下、Siトランジスタという)を有する層の上に積層して、OSトランジスタを設けることができる。発振器30、回路31および回路32が有するトランジスタを全て、OSトランジスタとすることにより、Siトランジスタを用いて構成された回路の上に、発振器30、回路31および回路32を積層して配置し、回路面積の縮小を行うことができる。
また、OSトランジスタに用いられる酸化物半導体は、スパッタリング法などの薄膜法を用いて形成することができる。よって、ガラス基板をはじめ、様々な基板上に簡便に形成することができ、半導体装置を低コストで作製できる場合がある。
図4Aには、回路31の構成例を示す。図4Aに示す回路31は、トランジスタ61と、トランジスタ62と、回路63と、を有する。トランジスタ61のゲートは、端子VBI1に電気的に接続される。トランジスタ61のソースおよびドレインの一方はトランジスタ62のソースおよびドレインの一方に、他方は配線VS1に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ62のソースおよびドレインの他方は回路63と、端子OU3と、に電気的に接続される。トランジスタ62のゲートには端子IN2が電気的に接続される。
図4Aにおいて、トランジスタ61およびトランジスタ62はバックゲートを有し、それぞれのトランジスタのバックゲートはそれぞれのトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続される。
図4Bには、回路31の構成例を示す。図4Bに示す回路31は、図4Aに示す回路31の構成に加えて、トランジスタ64、トランジスタ65および容量素子66を有する。トランジスタ61のゲートは、端子VBI1に電気的に接続される。トランジスタ61のソースおよびドレインの一方はトランジスタ62のソースおよびドレインの一方に、他方は配線VS1に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ62のソースおよびドレインの他方は、回路63と、容量素子66の一方の電極と、トランジスタ65のゲートと、に電気的に接続される。容量素子66の他方の電極は、トランジスタ64のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ65のソースおよびドレインの一方と、端子OU3と、に電気的に接続される。トランジスタ62のゲートおよびトランジスタ64のゲートには、端子IN2が電気的に接続される。トランジスタ64のソースおよびドレインの他方は、配線VS1に電気的に接続され、トランジスタ65のソースおよびドレインの他方は、配線VD1に電気的に接続される。
図4Bにおいて、トランジスタ64およびトランジスタ65はそれぞれバックゲートを有する。トランジスタ64のバックゲートは、例えば、配線VS1に電気的に接続される。またトランジスタ65のバックゲートは、例えば、端子OU3に電気的に接続される。
図4C、図4Dおよび図4Eはそれぞれ、回路63の一例を示す。
図4Cに示す回路63はトランジスタ63aを有し、トランジスタ63aのソースおよびドレインの一方は、トランジスタ63aのゲートおよび配線VD1に電気的に接続され、他方は、トランジスタ62のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。
図4Dに示す回路63はトランジスタ63aおよびトランジスタ63bを有し、配線VD1は、トランジスタ63aのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、トランジスタ63aのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ63bのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、トランジスタ63bのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ62のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。
また、図4Eに示すように、回路63は、n個のトランジスタ(nは2以上の整数)を有してもよい。配線VD1は、第1のトランジスタ(図4Eにおいてはトランジスタ63a)のソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第2のトランジスタ(図4Eにおいてはトランジスタ63b)のソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、以下、順に、トランジスタのソースおよびドレインの他方が、次段のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続される。第nのトランジスタ(図4Eにおいてはトランジスタ63n)のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ62のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。
なお、図4C、図4Dおよび図4Eに示すトランジスタはバックゲートを有し、それぞれのバックゲートはそれぞれのトランジスタのソースまたはドレインと電気的に接続される。
図5は発振器30の動作の一例を説明するタイミングチャートである。
ここで、トランジスタ54、トランジスタ55、トランジスタ44およびトランジスタ45のしきい値を電位Vtとする。これらのトランジスタのしきい値はトランジスタ毎にばらつく場合もあるが、ここでは説明を簡単にするため、これらのトランジスタのしきい値が同じ値であるとする。
発振器30において、ある時刻において、トランジスタ44およびトランジスタ45の一方がオン状態、他方がオフ状態である場合について、その後の発振器30の動作の一例を考える。ここでは例として時刻t0においてトランジスタ44がオン状態、トランジスタ45がオフ状態である場合を考える。
時刻t0において、トランジスタ45がオフ状態であり、ノードND4の電位は例えば、電位VD1からトランジスタ55のしきい値分低い電位、すなわち電位(VD1−Vt)である。
時刻t0において、トランジスタ44はオン状態であり、ノードND1とノードND3の電位はおおよそ等しい。時刻t0におけるノードND1およびノードND3の電位を電位V0とする。電位V0は電位(VD1−Vt)よりも少なくともトランジスタ44のしきい値分低い値、例えば電位(VD1−2Vt)である。
トランジスタ45はオフ状態であり、容量素子51の電荷のトランジスタ43等へのリークにより、ノードND2の電位は時間の経過とともに徐々に低下する。
時刻t1において、ノードND2の電位が、ノードND3の電位からトランジスタ45のしきい値分低い電位、すなわち電位(V0−Vt)を下回ると、トランジスタ45がオン状態となる。
トランジスタ45がオン状態となり、導通状態となると、ノードND4の電位が低下し、トランジスタ44において、ソースに対するゲートの電位(Vgs)が電位Vt以下となり(Vgs≦Vt)、トランジスタ44はオフ状態となる。
トランジスタ44がオフ状態となると、ノードND3の電位が例えば、電位VD1からトランジスタ54のしきい値分低い電位、すなわち電位(VD1−Vt)まで上昇する。ノードND1の電位もノードND3とともに上昇する。その後、容量素子51のリークにより、ノードND1の電位が時間の経過とともに徐々に低下する。
時刻t2において、ノードND1の電位が、ノードND4の電位からトランジスタ44のしきい値分低い電位を下回ると、トランジスタ44がオン状態となる。トランジスタ44がオン状態となると、ノードND1およびノードND3の電位は電位V0となる。トランジスタ45はオフ状態となり、ノードND4の電位は電位(VD1−Vt)まで上昇する。ノードND2の電位もノードND4とともに上昇するが、時間と共に低下する。
ノードND4の電位は時刻t0から時刻t1の間には電位VD1−Vtとなり、時刻t1から時刻t2の間は電位V0となり、以後、電位VD1−Vtと、電位V0と、を交互に繰り返し、発振器として機能する。また、時刻t0から時刻t1までの時間の長さおよび時刻t1から時刻t2までの時間の長さは、容量素子51の容量値の大きさ、トランジスタ42およびトランジスタ43を流れる電流の大きさ、トランジスタ54、トランジスタ55、トランジスタ44およびトランジスタ45のしきい値、等で決められる。
図6Aには、半導体装置21の構成例を示す。図6Aに示す半導体装置21は図1等に示す構成要素に加えて、増幅回路36を有する。増幅回路36には発振器30の端子OU1および端子OU2から出力されるそれぞれの信号が与えられる。増幅回路36は、端子OU1および端子OU2から与えられる信号を基に、増幅信号を生成し、回路31の端子IN2に与える機能を有する。
また、図1、図2、図6A等に示す半導体装置21の構成において、出力部において回路31を2段重ねて用いてもよい。図6Bは、図6Aにおいて、出力部の回路31を2段重ねて用いる構成とする例である。
図7Aおよび図7Bには、増幅回路36の一例を示す。
図7Aに示す増幅回路36は、トランジスタ71、トランジスタ72、トランジスタ73、回路63xおよび回路63yを有する。回路63xおよび回路63yとして、図4C、図4Dおよび図4Eに示す回路63等を用いることができる。
図7Aにおいて、回路63xは、配線VD1と、トランジスタ72のソースおよびドレインの一方と、の間に配置され、それぞれと電気的に接続される。回路63yは、配線VD1と、トランジスタ73のソースおよびドレインの一方と、の間に配置され、それぞれと電気的に接続される。トランジスタ73のソースおよびドレインの一方は、端子IN2に電気的に接続される。トランジスタ72のゲートは端子OU1に電気的に接続される。トランジスタ73のゲートは端子OU2に電気的に接続される。トランジスタ72のバックゲートと、トランジスタ72のソースおよびドレインの他方と、トランジスタ73のバックゲートと、トランジスタ73のソースおよびドレインの他方と、はトランジスタ71のソースおよびドレインの一方に電気的に接続される。トランジスタ71のソースおよびドレインの他方と、バックゲートと、は配線VS1に電気的に接続される。トランジスタ71のゲートは、回路32の端子VBI1に電気的に接続される。
図7Aに示す増幅回路36は、端子OU1に与えられる信号と端子OU2に与えられる信号の差分を増幅する機能を有する。
図7Bに示す増幅回路36は、図7Aに示す構成要素に加えて、トランジスタ74、トランジスタ75、トランジスタ76およびトランジスタ77を有する。
図7Aでは、トランジスタ73のソースおよびドレインの一方は、端子IN2に電気的に接続されるが、図7Bにおいては、トランジスタ77のゲートに電気的に接続される。また図7Bにおいて、トランジスタ72のソースおよびドレインの一方と、回路63xと、はトランジスタ76のゲートに電気的に接続される。
トランジスタ76のソースおよびドレインの一方は、配線VD1に電気的に接続され、他方はトランジスタ74のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ74のゲートと、トランジスタ75のゲートと、に電気的に接続される。トランジスタ74のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ74のバックゲートと、配線VS1と、に電気的に接続される。
トランジスタ77のソースおよびドレインの一方は、配線VD1に、他方はトランジスタ75のソースおよびドレインの一方と、端子IN2と、に電気的に接続される。トランジスタ75のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ75のバックゲートと、配線VS1と、に電気的に接続される。
半導体装置21が上記に述べた増幅回路36および回路31を有することにより、発振器30により生成される所望の周波数の信号の増幅および整形を行うことができ、好ましい出力信号を得ることができる。
図8Aには、二次電池に本発明の一態様の半導体装置を適用する例を示す。本発明の一態様の半導体装置を二次電池に接続し、蓄電装置を構成することができる。
図8Aには、二次電池121と、二次電池121に電気的に接続される半導体装置21と、を示す。図8Aに示す半導体装置21は、回路33と、トランジスタ49と、回路32と、発振器30と、回路31と、を有する。
回路33は、コンパレータ56と、トランジスタ48と、容量素子57と、を有する。コンパレータ56は、基準電位と、二次電池121の正極電位と、を比較し、比較結果に対応する信号を出力する機能を有する。図8Aに示す例では、二次電池121の正極がコンパレータの非反転入力端子に電気的に接続され、コンパレータ56の反転入力端子には基準電位が与えられる。なお、図8Aに示す例では、基準電位が反転入力端子に、基準電位との比較を行う電位が非反転入力端子に、それぞれ与えられるが、基準電位を非反転入力端子に、比較を行う電位を反転入力端子に、それぞれ与えてもよい。
コンパレータ56に与えられる基準電位は、端子VT1からトランジスタ48を介して与えられる。トランジスタ48としてOSトランジスタを用いることが好ましい。例えば端子SH2からトランジスタ48のゲートに高電位信号を与えてトランジスタ48をオン状態としてコンパレータ56の反転入力端子に好適な電位を与えた後、端子SH2からトランジスタ48のゲートに低電位信号を与えてトランジスタ48をオフ状態とすることにより浮遊状態とし、与えた電位を保持することにより、コンパレータ56の反転入力端子に電位をプログラミングすることができる。
コンパレータ56の出力端子(端子OU4とよぶ)は、トランジスタ49のゲートに電気的に接続される。トランジスタ49のソースおよびドレインの一方(図8Aでは端子SG1と呼ぶ)は、配線VS1に電気的に接続され、他方は回路32、発振器30および回路31に電気的に接続される。トランジスタ49は、それぞれの回路と、配線VS1と、が電気的に接続される状態と、切断される状態と、を制御する機能を有する。トランジスタ49は、例えば、図1等に示す発振器30のトランジスタ42およびトランジスタ43、回路31のトランジスタ61、図3A等に示す回路32のトランジスタ46a、図3C等に示す回路32のトランジスタ46b、等に電気的に接続される。
回路33に二次電池121の制御、あるいは保護を行うための基準電位を与えることにより、半導体装置21を、二次電池121の制御、あるいは保護を行う回路として動作させることができる。以下に、回路33に基準電位として過充電検知のための電位を与える例について、図8Bに示すタイミングチャートを用いて説明する。回路32、発振器30および回路31に流れる電流の合計を電流ID1とする。
時刻t11において、端子OU4の電位は低電位信号である。端子SG1は浮遊状態である。
時刻t12において、二次電池121の正極電位が基準電位を超えると、すなわち二次電池121が過充電状態と判断されると、コンパレータ56は端子OU4から高電位信号を出力する。コンパレータ56から高電位信号がトランジスタ49のゲートに与えられ、トランジスタ49がオン状態となる。
トランジスタ49がオン状態となると、配線VS1と、回路32、発振器30および回路31が導通状態となり、端子SG1には配線VS1の電位(図8Bに示す例では低電位信号)が与えられ、各回路に端子SG1を介して配線VS1からの電位が与えられ、回路32、発振器30および回路31と配線VS1が導通状態となる。
時刻t13に、端子EN1に信号が与えられ、回路32においてトランジスタ46aまたはトランジスタ47aがオン状態となる。また、端子SH1に信号が与えられ、トランジスタ41がオン状態となり、端子VBI1から電位VBI1が発振器30に与えられると、端子OU3から所望の周波数の信号が出力される。
時刻t14において、端子SH1に信号が与えられ、トランジスタ41がオフ状態となる。端子VBI1から出力される電位は一定の値に保持される。
時刻t15に端子EN1に信号が与えられ、トランジスタ46aまたはトランジスタ47aのゲートにオフ状態となる電位が与えられる。回路32に流れる電流が遮断され、電流ID1が低くなる。
時刻t16に端子OU4から低電位信号が出力され、回路32、発振器30および回路31に流れる電流が遮断される。端子SG1は浮遊状態となる。
端子OU3からの信号を例えば、二次電池の充電を制御する回路に与えて充電を停止する、あるいは充電条件を変更することにより、二次電池の保護、あるいは制御を行うことができる。本発明の一態様の半導体装置を用いて二次電池を制御することにより、本発明の一態様の蓄電装置を構成することができる。本発明の一態様の蓄電装置は、少ない消費電流で二次電池の安全性を高めることができ、また、二次電池の寿命を高めることができる。また、安全性の高い状態を保ちながら、二次電池の容量を向上させることができる場合がある。
トランジスタ49がオフ状態のときには配線VS1と回路32、発振器30および回路31の電流は遮断されるため、各回路において消費電力を大幅に低減することができる。トランジスタ49としてOSトランジスタを用いることにより、トランジスタ49のオフ状態におけるリーク電流を極めて小さくすることができ、消費電力を極限まで低くすることができる。
また、例えば過放電検知の場合には、非反転入力端子に、過放電状態と判断される基準電位を与え、二次電池の正極電位を反転入力端子に与えてもよい。この場合には、二次電池の正極電位が該基準電位より低くなると、コンパレータから高電位信号が出力される。
本発明の一態様の半導体装置には例えば、電池の制御を行う機能を有する回路が搭載されてもよい。本発明の一態様の半導体装置に電池の制御を行う機能を有する回路を搭載し、二次電池と接続することにより、蓄電装置を構成することができる。電池の制御を行う機能を有する回路として、図8において、制御回路38を有する。端子OU3からの信号が制御回路38に与えられる。また制御回路38は、端子SH1、EN1、VT1、SH2、等の信号を生成し、各回路に与えてもよい。あるいは、これらの信号を生成する回路に制御信号を与えてもよい。
制御回路38には例えば、電池の充電または放電の条件を変更する機能を有する回路が搭載されてもよい。該条件は例えば、電流密度、上限電圧、下限電圧、モードの切り替え、等を含む。モードとして例えば、定電流モード、定電圧モード、等が挙げられる。また、本発明の一態様の半導体装置は例えば、電池の保護を行う機能を有する。例えば、電池の充電または放電を停止する機能を有する。例えば、過充電の検出に伴い、電池を放電する機能を有する。例えば、電池の異常を検出し、電池の動作を停止、あるいは電池の条件を変更する機能を有する。電池の動作を停止とは、例えば、充電の停止、あるいは放電の停止が挙げられる。電池の異常とは例えば、過充電、過放電、充電時の過電流、放電時の過電流、ショート、後述するマイクロショート、動作温度の所定の範囲からの逸脱、等が挙げられる。
制御回路38は、例えば、Siトランジスタを用いて構成することができる。あるいは、制御回路38が、OSトランジスタと、Siトランジスタと、を用いて構成されてもよい。あるいは制御回路38が、OSトランジスタで構成される場合がある。
また、本発明の一態様の半導体装置は、温度センサ、圧力センサ、照度センサ、モーションセンサ、光学センサ、湿度センサ、等を有してもよい。本発明の一態様の半導体装置は、例えば、これらのセンサの検知結果に応じて電池の制御を行う機能を有する。
(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に用いることができる、OSトランジスタの構成例について説明する。なお、OSトランジスタは薄膜トランジスタであり、積層して設けることができるため、本実施の形態では、単結晶シリコン基板に形成されたSiトランジスタの上方に、OSトランジスタを設けた半導体装置の構成例について説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に用いることができる、OSトランジスタの構成例について説明する。なお、OSトランジスタは薄膜トランジスタであり、積層して設けることができるため、本実施の形態では、単結晶シリコン基板に形成されたSiトランジスタの上方に、OSトランジスタを設けた半導体装置の構成例について説明する。
<半導体装置の構成例>
図9に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500、および容量素子600を有している。図10Aはトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図10Bはトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図10Cはトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
図9に示す半導体装置は、トランジスタ300と、トランジスタ500、および容量素子600を有している。図10Aはトランジスタ500のチャネル長方向の断面図であり、図10Bはトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図であり、図10Cはトランジスタ300のチャネル幅方向の断面図である。
トランジスタ500は、チャネル形成領域にOSトランジスタである。トランジスタ500は、オフ電流が非常に小さい特徴を有する。
本実施の形態で説明する半導体装置は、図9に示すように、トランジスタ300、トランジスタ500、および容量素子600を有する。トランジスタ500はトランジスタ300の上方に設けられ、容量素子600は、トランジスタ300およびトランジスタ500の上方に設けられている。
トランジスタ300は、基板311上に設けられ、導電体316、絶縁体315、基板311の一部からなる半導体領域313、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bを有する。
トランジスタ300は、図10Cに示すように、半導体領域313の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体315を介して導電体316に覆われている。このように、トランジスタ300をFin型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ300のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ300のオフ特性を向上させることができる。
なお、トランジスタ300は、pチャネル型、あるいはnチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域313のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、GaAlAs(ガリウムアルミニウムヒ素)などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはGaAsとGaAlAs等を用いることで、トランジスタ300をHEMT(High Electron Mobility Transistor)としてもよい。
低抵抗領域314a、および低抵抗領域314bは、半導体領域313に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体316は、ヒ素、リンなどのn型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのp型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、トランジスタのVthを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図9に示すトランジスタ300は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ300を覆って、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326が順に積層して設けられている。
絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体322は、その下方に設けられるトランジスタ300などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体322の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨(CMP)法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ500が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析(TDS分析)法などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積あたりに換算して、10×1015atoms/cm2以下、好ましくは5×1015atoms/cm2以下であればよい。
なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には容量素子600、またはトランジスタ500と接続する導電体328、および導電体330等が埋め込まれている。なお、導電体328、および導電体330は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線(導電体328、および導電体330等)の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体326、および導電体330上に、配線層を設けてもよい。例えば、図9において、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、および絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、トランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体350は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体356は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体350が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ300からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体350と接する構造であることが好ましい。
絶縁体354、および導電体356上に、配線層を設けてもよい。例えば、図9において、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364が順に積層して設けられている。また、絶縁体360、絶縁体362、および絶縁体364には、導電体366が形成されている。導電体366は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体366は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体360は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体366は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体360が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体364、および導電体366上に、配線層を設けてもよい。例えば、図9において、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374が順に積層して設けられている。また、絶縁体370、絶縁体372、および絶縁体374には、導電体376が形成されている。導電体376は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体376は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体370は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体376は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体370が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体374、および導電体376上に、配線層を設けてもよい。例えば、図9において、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384が順に積層して設けられている。また、絶縁体380、絶縁体382、および絶縁体384には、導電体386が形成されている。導電体386は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体386は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体380は、絶縁体324と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体386は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体380が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。
上記において、導電体356を含む配線層、導電体366を含む配線層、導電体376を含む配線層、および導電体386を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体356を含む配線層と同様の配線層を3層以下にしてもよいし、導電体356を含む配線層と同様の配線層を5層以上にしてもよい。
絶縁体384上には絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516が、順に積層して設けられている。絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体510、および絶縁体514には、基板311、またはトランジスタ300を設ける領域などから、トランジスタ500を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ500と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体510、および絶縁体514には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体512、および絶縁体516には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体512、および絶縁体516として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体510、絶縁体512、絶縁体514、および絶縁体516には、導電体518、およびトランジスタ500を構成する導電体(導電体503)等が埋め込まれている。なお、導電体518は、容量素子600、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体518は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体510、および絶縁体514と接する領域の導電体518は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ300とトランジスタ500とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ300からトランジスタ500への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体516の上方には、トランジスタ500が設けられている。
図9においては、容量素子600が有する導電体610が絶縁体580等の開口部に設けられる導電体を介してトランジスタ500のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ300のゲートと、に接続される例を示すが、トランジスタ500と同じ層にOSトランジスタをもう一つ設け、導電体610が、絶縁体580等の開口部に設けられる導電体を介して該OSトランジスタのゲートに接続されてもよい。
図10A、図10Bに示すように、トランジスタ500は、絶縁体514および絶縁体516に埋め込まれるように配置された導電体503と、絶縁体516と導電体503の上に配置された絶縁体520と、絶縁体520の上に配置された絶縁体522と、絶縁体522の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された酸化物530aと、酸化物530aの上に配置された酸化物530bと、酸化物530b上に、互いに離して配置された導電体542a、および導電体542bと、導電体542aおよび導電体542b上に配置され、導電体542aと導電体542bの間に重畳して開口が形成された絶縁体580と、開口の中に配置された導電体560と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、導電体560と、の間に配置された絶縁体550と、酸化物530b、導電体542a、導電体542b、および絶縁体580と、絶縁体550と、の間に配置された酸化物530cと、を有する。
また、図10A、図10Bに示すように、酸化物530a、酸化物530b、導電体542a、および導電体542bと、絶縁体580の間に絶縁体544が配置されることが好ましい。また、図10A、図10Bに示すように、導電体560は、絶縁体550の内側に設けられた導電体560aと、導電体560aの内側に埋め込まれるように設けられた導電体560bと、を有することが好ましい。また、図10A、図10Bに示すように、絶縁体580、導電体560、および絶縁体550の上に絶縁体574が配置されることが好ましい。
なお、以下において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cをまとめて酸化物530という場合がある。また、導電体542aおよび導電体542bをまとめて導電体542という場合がある。
なお、トランジスタ500では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物530bの単層、酸化物530bと酸化物530aの2層構造、酸化物530bと酸化物530cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ500では、導電体560を2層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体560が、単層構造であってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。また、図9、図10A、図10Bに示すトランジスタ500は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
ここで、導電体560は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体542aおよび導電体542bは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体560、導電体542aおよび導電体542bの配置は、絶縁体580の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ500において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体560を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ500の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
さらに、導電体560が、導電体542aと導電体542bの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体560は、導電体542aまたは導電体542bと重畳する領域を有さない。これにより、導電体560と導電体542aおよび導電体542bとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ500のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有することができる。
導電体560は、第1のゲート(トップゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体503は、第2のゲート(ボトムゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体503に印加する電位を、導電体560に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ500のVthを制御することができる。特に、導電体503に負の電位を印加することにより、トランジスタ500のVthを0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体503に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。
導電体503は、酸化物530、および導電体560と、重なるように配置する。これにより、導電体560、および導電体503に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体503から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。
また、本明細書等において、S−channel構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体542aおよび導電体542bに接する酸化物530の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくI型であるといった特徴を有する。また、導電体542aおよび導電体542bに接する酸化物530の側面及び周辺は、絶縁体544と接しているため、チャネル形成領域と同様にI型となりうる。なお、本明細書等において、I型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するS−channel構造は、Fin型構造及びプレーナ型構造とは異なる。S−channel構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、導電体503は、導電体518と同様の構成であり、絶縁体514および絶縁体516の開口の内壁に接して導電体503aが形成され、さらに内側に導電体503bが形成されている。
絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、および絶縁体550は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
ここで、酸化物530と接する絶縁体524は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体524には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物530に接して設けることにより、酸化物530中の酸素欠損を低減し、トランジスタ500の信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3以上、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上400℃以下の範囲が好ましい。
また、絶縁体524が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体522は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子など)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)ことが好ましい。
絶縁体522が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物530が有する酸素は、絶縁体520側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体503が、絶縁体524や、酸化物530が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体522を形成した場合、絶縁体522は、酸化物530からの酸素の放出や、トランジスタ500の周辺部から酸化物530への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体520は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high−k材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体520を得ることができる。
なお、絶縁体520、絶縁体522、および絶縁体524が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
トランジスタ500は、チャネル形成領域を含む酸化物530に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物530として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。
また、トランジスタ500には、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。
よって、金属酸化物を酸化物530に用いる場合、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、酸化物530に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、1×1018cm−3以下であることが好ましく、1×1017cm−3未満であることがより好ましく、1×1016cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1013cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1012cm−3未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、1×10−9cm−3とすることができる。
また、酸化物530に金属酸化物を用いる場合、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と酸化物530とが接することで、酸化物530中の酸素が導電体542へ拡散し、導電体542が酸化する場合がある。導電体542が酸化することで、導電体542の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物530中の酸素が導電体542へ拡散することを、導電体542が酸化物530中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。
また、酸化物530中の酸素が導電体542(導電体542a、および導電体542b)へ拡散することで、導電体542aと酸化物530bとの間、および、導電体542bと酸化物530bとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体542よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体542と、当該異層と、酸化物530bとの3層構造は、金属−絶縁体−半導体からなる3層構造とみなすことができ、MIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造と呼ぶ、またはMIS構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。
なお、上記異層は、導電体542と酸化物530bとの間に形成されることに限られず、例えば、異層が、導電体542と酸化物530cとの間に形成される場合や、導電体542と酸化物530bとの間、および導電体542と酸化物530cとの間に形成される場合がある。
また、酸化物530においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
酸化物530は、酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物530は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物530aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物530aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物530aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530cは、酸化物530aまたは酸化物530bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物530bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物530cが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物530bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物530cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物530bとなる。酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ500は高いオン電流を得られる。
酸化物530b上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体542(導電体542a、および導電体542b)が設けられる。導電体542としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
また、図10Aに示すように、酸化物530の、導電体542との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域543(領域543a、および領域543b)が形成される場合がある。このとき、領域543aはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域543bはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域543aと領域543bに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
酸化物530と接するように上記導電体542を設けることで、領域543の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域543に導電体542に含まれる金属と、酸化物530の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域543のキャリア濃度が増加し、領域543は、低抵抗領域となる。
絶縁体544は、導電体542を覆うように設けられ、導電体542の酸化を抑制する。このとき、絶縁体544は、酸化物530の側面を覆い、絶縁体524と接するように設けられてもよい。
絶縁体544として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、絶縁体544として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネートなどを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体542が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体544は、必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体550は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、酸化物530cの内側(上面および側面)に接して配置することが好ましい。絶縁体550は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、TDS分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm3以上、好ましくは1.0×1019atoms/cm3以上、さらに好ましくは2.0×1019atoms/cm3以上、または3.0×1020atoms/cm3以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における膜の表面温度としては100℃以上700℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体550として、酸化物530cの上面に接して設けることにより、絶縁体550から、酸化物530cを通じて、酸化物530bのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体524と同様に、絶縁体550中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体550の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。
また、絶縁体550が有する過剰酸素を、効率的に酸化物530へ供給するために、絶縁体550と導電体560との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体550から導電体560への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体550から導電体560への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体544に用いることができる材料を用いればよい。
第1のゲート電極として機能する導電体560は、図10A、図10Bでは2層構造として示しているが、単層構造でもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。
導電体560aは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体550に含まれる酸素により、導電体560bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体560bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560bは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
絶縁体580は、絶縁体544を介して、導電体542上に設けられる。絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体580として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
絶縁体580は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体580を、酸化物530cと接して設けることで、絶縁体580中の酸素を、酸化物530cを通じて、酸化物530へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体580中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体580の開口は、導電体542aと導電体542bの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体560は、絶縁体580の開口、および導電体542aと導電体542bに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体560の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体560の膜厚を大きくすると、導電体560はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体560を絶縁体580の開口に埋め込むように設けるため、導電体560をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体560を倒壊させることなく、形成することができる。
絶縁体574は、絶縁体580の上面、導電体560の上面、および絶縁体550の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体574をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体550および絶縁体580へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物530中に酸素を供給することができる。
例えば、絶縁体574として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。
また、絶縁体574の上に、層間膜として機能する絶縁体581を設けることが好ましい。絶縁体581は、絶縁体524などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体581、絶縁体574、絶縁体580、および絶縁体544に形成された開口に、導電体540aおよび導電体540bを配置する。導電体540aおよび導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体540aおよび導電体540bは、後述する導電体546および導電体548と同様の構成である。
絶縁体581上には、絶縁体582が設けられている。絶縁体582は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体582には、絶縁体514と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体582には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ500への混入を防止することができる。また、トランジスタ500を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ500に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体582上には、絶縁体586が設けられている。絶縁体586は、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体586として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体520、絶縁体522、絶縁体524、絶縁体544、絶縁体580、絶縁体574、絶縁体581、絶縁体582、および絶縁体586には、導電体546、および導電体548等が埋め込まれている。
導電体546、および導電体548は、容量素子600、トランジスタ500、またはトランジスタ300と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体546、および導電体548は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ500の上方には、容量素子600が設けられている。容量素子600は、導電体610と、導電体620、絶縁体630とを有する。
また、導電体546、および導電体548上に、導電体612を設けてもよい。導電体612は、トランジスタ500と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体610は、容量素子600の電極としての機能を有する。なお、導電体612、および導電体610は、同時に形成することができる。
図9等には、容量素子の誘電体として絶縁体630を用いる例を示すが、容量素子の誘電体として、他の絶縁体を用いてもよい。また、容量素子の電極として、他の導電体等を用いてもよい。
例えば、トランジスタ300のゲート絶縁体として機能する絶縁体315を用いてもよい。絶縁体315を容量素子の誘電体として用いる場合には、導電体316を容量素子の一方の電極、低抵抗領域314a等を他方の電極として用いてもよい。
導電体612、および導電体610には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
図9では、導電体612、および導電体610は単層構造として示しているが、当該構成に限定されず、2層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
絶縁体630を介して、導電体610と重畳するように、導電体620を設ける。なお、導電体620は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるCu(銅)やAl(アルミニウム)等を用いればよい。
導電体620、および絶縁体630上には、絶縁体650が設けられている。絶縁体650は、絶縁体320と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体650は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。
<トランジスタの構造例>
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ500に用いることができる構造例について説明する。
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ500は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ500に用いることができる構造例について説明する。
<トランジスタの構造例1>
図11A、図11Bおよび図11Cを用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図11Aはトランジスタ510Aの上面図である。図11Bは、図11Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図11Cは、図11Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図11Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図11A、図11Bおよび図11Cを用いてトランジスタ510Aの構造例を説明する。図11Aはトランジスタ510Aの上面図である。図11Bは、図11Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図11Cは、図11Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図11Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図11A、図11Bおよび図11Cでは、トランジスタ510Aと、層間膜として機能する絶縁体511、絶縁体512、絶縁体514、絶縁体516、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584を示している。また、トランジスタ510Aと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体546(導電体546a、および導電体546b)と、配線として機能する導電体503と、を示している。
トランジスタ510Aは、第1のゲート電極として機能する導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、第2のゲート電極として機能する導電体505(導電体505a、および導電体505b)と、第1のゲート絶縁膜として機能する絶縁体550と、第2のゲート絶縁膜として機能する絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524と、チャネルが形成される領域を有する酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体542aと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体542bと、絶縁体574とを有する。
また、図11に示すトランジスタ510Aでは、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560が、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して配置される。また、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560は、導電体542a、および導電体542bとの間に配置される。
絶縁体511、および絶縁体512は、層間膜として機能する。
層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、PZT、SrTiO3または(Ba,Sr)TiO3(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
例えば、絶縁体511は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体511は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体511として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体511よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。
例えば、絶縁体512は、絶縁体511よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
導電体503は、絶縁体512に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体503の上面の高さと、絶縁体512の上面の高さは同程度にできる。なお導電体503は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体503を2層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体503は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。
トランジスタ510Aにおいて、導電体560は、第1のゲート(トップゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。また、導電体505は、第2のゲート(ボトムゲート、ともいう)電極として機能する場合がある。その場合、導電体505に印加する電位を、導電体560に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ510Aのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体505に負の電位を印加することにより、トランジスタ510Aのしきい値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体505に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体560に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。
また、例えば、導電体505と、導電体560とを重畳して設けることで、導電体560、および導電体505に電位を印加した場合、導電体560から生じる電界と、導電体505から生じる電界と、がつながり、酸化物530に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体560の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体505の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。すなわち、先に記載のトランジスタ500と同様に、S−channel構造である。
絶縁体514、および絶縁体516は、絶縁体511または絶縁体512と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体514は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体514よりも基板側からトランジスタ510A側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体516は、絶縁体514よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
第2のゲートとして機能する導電体505は、絶縁体514および絶縁体516の開口の内壁に接して導電体505aが形成され、さらに内側に導電体505bが形成されている。ここで、導電体505aおよび導電体505bの上面の高さと、絶縁体516の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ510Aでは、導電体505aおよび導電体505bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体505は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体505aは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書等において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。
例えば、導電体505aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体505bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。
また、導電体505が配線の機能を兼ねる場合、導電体505bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体503は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体505bを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体521、絶縁体522、および絶縁体524は、第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。
また、絶縁体522は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体522がバリア性を有することで、トランジスタ510Aの周辺部からトランジスタ510Aへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
絶縁体522は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、PZT、SrTiO3または(Ba,Sr)TiO3(BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
また、絶縁体521は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、high−k材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体521を得ることができる。
なお、図11には、第2のゲート絶縁膜として、3層の積層構造を示したが、単層、または2層以上の積層構造としてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物530は、酸化物530aと、酸化物530a上の酸化物530bと、酸化物530b上の酸化物530cと、を有する。酸化物530b下に酸化物530aを有することで、酸化物530aよりも下方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物530b上に酸化物530cを有することで、酸化物530cよりも上方に形成された構造物から、酸化物530bへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物530として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。
なお、酸化物530cは、絶縁体580に設けられた開口部内に、絶縁体574を介して設けられることが好ましい。絶縁体574がバリア性を有する場合、絶縁体580からの不純物が酸化物530へと拡散することを抑制することができる。
導電体542は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
導電体542aと、導電体542bとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
また、図11では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、導電体542上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体574を成膜する際に、導電体542が酸化することを抑制することができる。
バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、CVD法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
バリア層を有することで、導電体542の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体542に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
絶縁体550は、第1のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体550は、絶縁体580に設けられた開口部内に、酸化物530c、および絶縁体574を介して設けられることが好ましい。
トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体550は、第2のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、high−k材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、導電体505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体560aとして、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体560bをスパッタリング法で成膜することで、導電体560aの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをOC(Oxide Conductor)電極と呼ぶことができる。
導電体560bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体560は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体560bは積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体580と、トランジスタ510Aとの間に絶縁体574を配置する。絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物が酸化物530c、絶縁体550を介して、酸化物530bに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体580が有する過剰酸素により、導電体560が酸化するのを抑制することができる。
絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584は、層間膜として機能する。
絶縁体582は、絶縁体514と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ510Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。
また、絶縁体580、および絶縁体584は、絶縁体516と同様に、絶縁体582よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、トランジスタ510Aは、絶縁体580、絶縁体582、および絶縁体584に埋め込まれた導電体546などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。
また、導電体546の材料としては、導電体505と同様に、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
例えば、導電体546として、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。
上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
<トランジスタの構造例2>
図12A、図12Bおよび図12Cを用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図12Aはトランジスタ510Bの上面図である。図12Bは、図12Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図12Cは、図12Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図12Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図12A、図12Bおよび図12Cを用いてトランジスタ510Bの構造例を説明する。図12Aはトランジスタ510Bの上面図である。図12Bは、図12Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図12Cは、図12Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図12Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ510Bはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。
トランジスタ510Bは、導電体542(導電体542a、および導電体542b)と、酸化物530c、絶縁体550、および導電体560と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
第1のゲート電極として機能する導電体560は、導電体560a、および導電体560a上の導電体560bを有する。導電体560aは、導電体505aと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体560aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体560bの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体560aを有することで、導電体560bの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
また、導電体560の上面および側面、絶縁体550の側面、および酸化物530cの側面を覆うように、絶縁体574を設けることが好ましい。なお、絶縁体574は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体574を設けることで、導電体560の酸化を抑制することができる。また、絶縁体574を有することで、絶縁体580が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ510Bへ拡散することを抑制することができる。
また、導電体546と、絶縁体580との間に、バリア性を有する絶縁体576(絶縁体576a、および絶縁体576b)を配置してもよい。絶縁体576を設けることで、絶縁体580の酸素が導電体546と反応し、導電体546が酸化することを抑制することができる。
また、バリア性を有する絶縁体576を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体546に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
<トランジスタの構造例3>
図13A、図13Bおよび図13Cを用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図13Aはトランジスタ510Cの上面図である。図13Bは、図13Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図13Cは、図13Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図13Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図13A、図13Bおよび図13Cを用いてトランジスタ510Cの構造例を説明する。図13Aはトランジスタ510Cの上面図である。図13Bは、図13Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図13Cは、図13Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図13Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ510Cはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ510Aと異なる点について説明する。
図13に示すトランジスタ510Cは、導電体542aと酸化物530bの間に導電体547aが配置され、導電体542bと酸化物530bの間に導電体547bが配置されている。ここで、導電体542a(導電体542b)は、導電体547a(導電体547b)の上面および導電体560側の側面を越えて延在し、酸化物530bの上面に接する領域を有する。ここで、導電体547は、導電体542に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体547の膜厚は、少なくとも導電体542より厚いことが好ましい。
図13に示すトランジスタ510Cは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ510Aよりも、導電体542を導電体560に近づけることができる。または、導電体542aの端部および導電体542bの端部と、導電体560を重ねることができる。これにより、トランジスタ510Cの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。
また、導電体547a(導電体547b)は、導電体542a(導電体542b)と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体546a(導電体546b)を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体547a(導電体547b)がストッパとして機能し、酸化物530bがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
また、図13に示すトランジスタ510Cは、絶縁体544の上に接して絶縁体545を配置する構成にしてもよい。絶縁体544としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体580側からトランジスタ510Cに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体545としては、絶縁体544に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体544としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。
また、図13に示すトランジスタ510Cは、図11に示すトランジスタ510Aと異なり、導電体505を単層構造で設けてもよい。この場合、形成された導電体505の上に絶縁体516となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体505の上面が露出するまでCMP法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体505の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体505上面の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.5nm以下、より好ましくは0.3nm以下にすればよい。これにより、導電体505の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物530bおよび酸化物530cの結晶性の向上を図ることができる。
<トランジスタの構造例4>
図14A、図14Bおよび図14Cを用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図14Aはトランジスタ510Dの上面図である。図14Bは、図14Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図14Cは、図14Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図14Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図14A、図14Bおよび図14Cを用いてトランジスタ510Dの構造例を説明する。図14Aはトランジスタ510Dの上面図である。図14Bは、図14Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図14Cは、図14Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図14Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ510Dは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
図14A乃至図14Cでは、導電体503を設けずに、第2のゲートとしての機能を有する導電体505を配線としても機能させている。また、酸化物530c上に絶縁体550を有し、絶縁体550上に金属酸化物552を有する。また、金属酸化物552上に導電体560を有し、導電体560上に絶縁体570を有する。また、絶縁体570上に絶縁体571を有する。
金属酸化物552は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体550と、導電体560との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物552を設けることで、導電体560への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物530へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体560の酸化を抑制することができる。
なお、金属酸化物552は、第1のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物530として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物552として用いることができる。その場合、導電体560をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物552の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをOC電極と呼ぶことができる。
また、金属酸化物552は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体550に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物552は、比誘電率が高いhigh−k材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。
トランジスタ510Dにおいて、金属酸化物552を単層で示したが、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
金属酸化物552を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体560からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ510Dのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体550と、金属酸化物552との物理的な厚みにより、導電体560と、酸化物530との間の距離を保つことで、導電体560と酸化物530との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体550、および金属酸化物552との積層構造を設けることで、導電体560と酸化物530との間の物理的な距離、および導電体560から酸化物530へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
具体的には、金属酸化物552として、酸化物530に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物552として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネートなどを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物552は、必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体570は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体570よりも上方からの酸素で導電体560が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体570よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体560および絶縁体550を介して、酸化物530に混入することを抑制することができる。
絶縁体571はハードマスクとして機能する。絶縁体571を設けることで、導電体560の加工の際、導電体560の側面が概略垂直、具体的には、導電体560の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。
なお、絶縁体571に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体570は設けなくともよい。
絶縁体571をハードマスクとして用いて、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物530b表面の一部を露出させることができる。
また、トランジスタ510Dは、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。
領域531aおよび領域531bの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物530b表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。
また、酸化物530b表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物530bに拡散させて領域531aおよび領域531bを形成することもできる。
酸化物530bの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域531aおよび領域531bを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。
絶縁体571および/または導電体560をマスクとして用いることで、領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することができる。よって、領域531aおよび/または領域531bと、導電体560が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域(領域531aまたは領域531b)の間にオフセット領域が形成されない。領域531aおよび領域531bを自己整合(セルフアライメント)的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体575の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体575も絶縁体571などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物530bの絶縁体575と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。
また、トランジスタ510Dは、絶縁体570、導電体560、金属酸化物552、絶縁体550、および酸化物530cの側面に絶縁体575を有する。絶縁体575は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体575に用いると、後の工程で絶縁体575中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体575は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。
また、トランジスタ510Dは、絶縁体575、酸化物530上に絶縁体574を有する。絶縁体574は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体574として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体574が酸化物530および絶縁体575から水素および水を吸収することで、酸化物530および絶縁体575の水素濃度を低減することができる。
<トランジスタの構造例5>
図15A乃至図15Cを用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図15Aはトランジスタ510Eの上面図である。図15Bは、図15Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図15Cは、図15Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図15Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図15A乃至図15Cを用いてトランジスタ510Eの構造例を説明する。図15Aはトランジスタ510Eの上面図である。図15Bは、図15Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図15Cは、図15Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図15Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ510Eは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
図15A乃至図15Cでは、導電体542を設けずに、露出した酸化物530b表面の一部に領域531aおよび領域531bを有する。領域531aまたは領域531bの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物530bと、絶縁体574の間に、絶縁体573を有する。
図15に示す、領域531(領域531a、および領域531b)は、酸化物530bに下記の元素が添加された領域である。領域531は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。
具体的には、酸化物530b上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物530bを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物530が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域531が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
なお、酸化物530を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、SIMSなどを用いて測定すればよい。
特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。
続いて、酸化物530b、およびダミーゲート上に、絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体573となる絶縁膜、および絶縁体574となる絶縁膜を積層して設けることで、領域531と、酸化物530cおよび絶縁体550とが重畳する領域を設けることができる。
具体的には、絶縁体574となる絶縁膜上に絶縁体580となる絶縁膜を設けた後、絶縁体580となる絶縁膜にCMP処理を行うことで、絶縁体580となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体573の一部も除去するとよい。従って、絶縁体580に設けられた開口部の側面には、絶縁体574、および絶縁体573が露出し、当該開口部の底面には、酸化物530bに設けられた領域531の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体580が露出するまでCMP処理などにより、酸化物530cとなる酸化膜、絶縁体550となる絶縁膜、および導電体560となる導電膜の一部を除去することで、図15に示すトランジスタを形成することができる。
なお、絶縁体573、および絶縁体574は必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
図15に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体542を設けないため、コストの低減を図ることができる。
<トランジスタの構造例6>
図16A乃至図16Cを用いてトランジスタ510Fの構造例を説明する。図16Aはトランジスタ510Fの上面図である。図16Bは、図16Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図16Cは、図16Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図16Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図16A乃至図16Cを用いてトランジスタ510Fの構造例を説明する。図16Aはトランジスタ510Fの上面図である。図16Bは、図16Aに一点鎖線L1−L2で示す部位の断面図である。図16Cは、図16Aに一点鎖線W1−W2で示す部位の断面図である。なお、図16Aの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ510Fはトランジスタ510Aの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
トランジスタ510Aでは、絶縁体574の一部が絶縁体580に設けられた開口部内に設けられ、導電体560の側面を覆うように設けられている。一方で、トランジスタ510Fでは絶縁体580と絶縁体574の一部を除去して開口が形成されている。
また、導電体546と、絶縁体580との間に、バリア性を有する絶縁体576(絶縁体576a、および絶縁体576b)を配置してもよい。絶縁体576を設けることで、絶縁体580の酸素が導電体546と反応し、導電体546が酸化することを抑制することができる。
なお、酸化物530として酸化物半導体を用いる場合は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物530aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物530aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530cは、酸化物530aまたは酸化物530bに用いることができる金属酸化物を用いることができる。
酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cは、結晶性を有することが好ましく、特に、CAAC−OSを用いることが好ましい。CAAC−OS等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥(酸素欠損等)が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物530bからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物530bから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ510Fは、製造工程における高い温度(所謂サーマルバジェット)に対して安定である。
なお、酸化物530aおよび酸化物530cの一方または双方を省略してもよい。酸化物530を酸化物530bの単層としてもよい。酸化物530を、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの積層とする場合は、酸化物530aおよび酸化物530cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物530bの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物530aおよび酸化物530cの電子親和力が、酸化物530bの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物530cは、酸化物530aに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、酸化物530cに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530cに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物530bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物530bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物530cに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。
ここで、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530cの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物530aと酸化物530b、酸化物530bと酸化物530cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物530bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物530aおよび酸化物530cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウム等を用いてもよい。また、酸化物530cを積層構造としてもよい。例えば、In−Ga−Zn酸化物と、当該In−Ga−Zn酸化物上のGa−Zn酸化物との積層構造、またはIn−Ga−Zn酸化物と、当該In−Ga−Zn酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、In−Ga−Zn酸化物と、Inを含まない酸化物との積層構造を、酸化物530cとして用いてもよい。
具体的には、酸化物530aとして、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]もしくはその近傍の組成、または1:1:0.5[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物530bとして、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]もしくはその近傍の組成、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]もしくはその近傍の組成、In:Ga:Zn=5:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成、または10:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、In−Zn酸化物を用いればよい。酸化物530aまたは酸化物530bに用いることができる金属酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±30%の範囲を含む。
また、酸化物530cは、2層以上の積層構造を有していてもよい。酸化物530cを積層構造とする場合の具体例としては、酸化物530cの下層として、In:Ga:Zn=5:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成、または10:1:3[原子数比]もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、In−Zn酸化物を用い、酸化物530cの上層として、In:Ga:Zn=1:3:4[原子数比]もしくはその近傍の組成、Ga:Zn=2:1[原子数比]もしくはその近傍の組成、またはGa:Zn=2:5[原子数比]もしくはその近傍の組成、または酸化ガリウムを用いればよい。
酸化物530a、酸化物530cを上述の構成とすることで、酸化物530aと酸化物530bとの界面、および酸化物530bと酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ510Fは高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物530cを積層構造とした場合、上述の酸化物530bと、酸化物530cとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物530cが有する構成元素が、絶縁体550側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物530cを積層構造とし、積層構造の上方にInを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体550側に拡散しうるInを抑制することができる。絶縁体550は、ゲート絶縁体として機能するため、Inが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物530cを積層構造とすることで、信頼性の高い表示装置を提供することが可能となる。
酸化物530は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物530のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
<半導体装置の構成例2>
図17には、図9に示す半導体装置において、絶縁体650上に導電体692を有する例を示す。導電体692は半導体装置の一方の面を覆うように形成される。図17には図示されないが、導電体692は開口部を有してもよい。また絶縁体650よりも下層の導電体に電気的に接続される導電体が該開口部内に設けられてもよい。
図17には、図9に示す半導体装置において、絶縁体650上に導電体692を有する例を示す。導電体692は半導体装置の一方の面を覆うように形成される。図17には図示されないが、導電体692は開口部を有してもよい。また絶縁体650よりも下層の導電体に電気的に接続される導電体が該開口部内に設けられてもよい。
導電体692として金属を用いることができる。また導電性を有する金属窒化物や金属酸化物を用いてもよい。導電体692として例えば、チタン、窒化チタン、酸化チタン等を用いる事ができる。導電体692は半導体装置よりも外部からの電磁波を遮断する、あるいは弱める機能を有する。また導電体692は静電気を拡散して逃がす、または電荷の局在化を防ぐ機能を有する。導電体692を設けることにより、半導体装置の動作をさらに安定させることができる。
図18には、絶縁体650と導電体692との間に絶縁体693を有する例を示す。絶縁体693として例えば、繊維体に有機樹脂が含浸された構造体を用いることができる。繊維体として例えばガラス繊維を用いてもよい。また有機樹脂として例えば臭素化エポキシ樹脂を用いてもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
<<金属酸化物>>
酸化物530として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物530に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物530として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物530に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、インジウムおよび亜鉛に加えて、ガリウム、イットリウム、錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn−M−Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫より選ばれる一以上の元素とする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。
[金属酸化物の構造]
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)、および非晶質酸化物半導体などがある。
酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)、および非晶質酸化物半導体などがある。
CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、CAAC−OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、CAAC−OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。
CAAC−OSは結晶性の高い金属酸化物である。一方、CAAC−OSは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、CAAC−OSを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC−OSを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、In−Ga−Zn酸化物(以下、IGZO)は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、IGZOは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶(ここでは、数mmの結晶、または数cmの結晶)よりも小さな結晶(例えば、上述のナノ結晶)とする方が、構造的に安定となる場合がある。
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。a−like OSは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体(金属酸化物)は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有していてもよい。
[不純物]
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体に不純物が混入すると、欠陥準位または酸素欠損が形成される場合がある。よって、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が混入することで、酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、チャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
また、上記欠陥準位には、トラップ準位が含まれる場合がある。金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
また、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が存在すると、チャネル形成領域の結晶性が低くなる場合がある、また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低くなる場合がある。チャネル形成領域の結晶性が低いと、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する傾向がある。また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低いと、界面準位が形成され、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する場合がある。
したがって、トランジスタの安定性または信頼性を向上させるには、酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍の不純物濃度を低減することが有効である。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
具体的には、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、SIMSにより得られる上記不純物の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。または、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、EDXを用いた元素分析により得られる上記不純物の濃度を、1.0atomic%以下にする。なお、当該酸化物半導体として元素Mを含む酸化物を用いる場合、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、元素Mに対する上記不純物の濃度比を、0.10未満、好ましくは0.05未満にする。ここで、上記濃度比を算出する際に用いる元素Mの濃度は、上記不純物の濃度を算出した領域と同じ領域の濃度でもよいし、当該酸化物半導体中の濃度でもよい。
また、不純物濃度を低減した金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、金属酸化物中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しVOHを形成する場合がある。VOHはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。
従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。
つまり、金属酸化物中のVOHをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、VOHが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること(脱水、脱水素化処理と記載する場合がある)と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること(加酸素化処理と記載する場合がある)が重要である。VOHなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、酸化物半導体中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
特に、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
酸素欠損に水素が入った欠陥(VOH)は、酸化物半導体のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。
よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。水素などの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、チャネル形成領域の酸化物半導体のキャリア濃度は、1×1018cm−3以下であることが好ましく、1×1017cm−3未満であることがより好ましく、1×1016cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1013cm−3未満であることがさらに好ましく、1×1012cm−3未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の酸化物半導体のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、1×10−9cm−3とすることができる。
本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。
<<その他の半導体材料>>
酸化物530に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物530として、バンドギャップを有する半導体材料(ゼロギャップ半導体ではない半導体材料)を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質(原子層物質、2次元材料などともいう)などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
酸化物530に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物530として、バンドギャップを有する半導体材料(ゼロギャップ半導体ではない半導体材料)を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質(原子層物質、2次元材料などともいう)などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、2次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、2次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。
層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第16族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、13族カルコゲナイドなどが挙げられる。
酸化物530として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物530として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン(代表的にはMoS2)、セレン化モリブデン(代表的にはMoSe2)、モリブデンテルル(代表的にはMoTe2)、硫化タングステン(代表的にはWS2)、セレン化タングステン(代表的にはWSe2)、タングステンテルル(代表的にはWTe2)、硫化ハフニウム(代表的にはHfS2)、セレン化ハフニウム(代表的にはHfSe2)、硫化ジルコニウム(代表的にはZrS2)、セレン化ジルコニウム(代表的にはZrSe2)などが挙げられる。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
EN1:端子、ID1:電流、IN2:端子、ND1:ノード、ND2:ノード、ND3:ノード、ND4:ノード、OU1:端子、OU2:端子、OU3:端子、OU4:端子、RL1:抵抗素子、SG1:端子、SH1:端子、SH2:端子、Sv1:信号、VBI1:端子、VD1:配線、VS1:配線、VT1:端子、21:半導体装置、30:発振器、31:回路、32:回路、33:回路、36:増幅回路、38:制御回路、41:トランジスタ、42:トランジスタ、43:トランジスタ、44:トランジスタ、45:トランジスタ、46a:トランジスタ、46b:トランジスタ、47a:トランジスタ、47b:トランジスタ、48:トランジスタ、49:トランジスタ、51:容量素子、52:容量素子、53:インバータ、54:トランジスタ、55:トランジスタ、56:コンパレータ、57:容量素子、61:トランジスタ、62:トランジスタ、63:回路、63a:トランジスタ、63b:トランジスタ、63n:トランジスタ、63x:回路、63y:回路、64:トランジスタ、65:トランジスタ、66:容量素子、71:トランジスタ、72:トランジスタ、73:トランジスタ、74:トランジスタ、75:トランジスタ、76:トランジスタ、77:トランジスタ、121:二次電池、300:トランジスタ、311:基板、313:半導体領域、314a:低抵抗領域、314b:低抵抗領域、315:絶縁体、316:導電体、320:絶縁体、322:絶縁体、324:絶縁体、326:絶縁体、328:導電体、330:導電体、350:絶縁体、352:絶縁体、354:絶縁体、356:導電体、360:絶縁体、362:絶縁体、364:絶縁体、366:導電体、370:絶縁体、372:絶縁体、374:絶縁体、376:導電体、380:絶縁体、382:絶縁体、384:絶縁体、386:導電体、500:トランジスタ、503:導電体、503a:導電体、503b:導電体、505:導電体、505a:導電体、505b:導電体、510:絶縁体、510A:トランジスタ、510B:トランジスタ、510C:トランジスタ、510D:トランジスタ、510E:トランジスタ、510F:トランジスタ、511:絶縁体、512:絶縁体、514:絶縁体、516:絶縁体、518:導電体、520:絶縁体、521:絶縁体、522:絶縁体、524:絶縁体、530:酸化物、530a:酸化物、530b:酸化物、530c:酸化物、531:領域、531a:領域、531b:領域、540a:導電体、540b:導電体、542:導電体、542a:導電体、542b:導電体、543:領域、543a:領域、543b:領域、544:絶縁体、545:絶縁体、546:導電体、546a:導電体、546b:導電体、547:導電体、547a:導電体、547b:導電体、548:導電体、550:絶縁体、552:金属酸化物、560:導電体、560a:導電体、560b:導電体、570:絶縁体、571:絶縁体、573:絶縁体、574:絶縁体、575:絶縁体、576:絶縁体、576a:絶縁体、576b:絶縁体、580:絶縁体、581:絶縁体、582:絶縁体、584:絶縁体、586:絶縁体、600:容量素子、610:導電体、612:導電体、620:導電体、630:絶縁体、650:絶縁体、692:導電体、693:絶縁体
Claims (17)
- 第1のトランジスタと、発振器と、第1の配線と、第2の配線と、第1の回路と、を有し、
前記発振器は、前記第1の配線、前記第2の配線および前記第1の回路のそれぞれと電気的に接続され、
前記第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、
前記発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、
前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第1の回路と、前記第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、
前記第1の配線は、前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、前記第3のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、に電気的に接続される半導体装置。 - 請求項1において、
前記第1の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一つと、入力端子と、を有し、
前記第4のトランジスタのゲートは、前記入力端子に電気的に接続され、
前記第1の回路は、前記入力端子に与えられる信号の整形および増幅の少なくとも一を行う機能を有する半導体装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記第2のトランジスタ乃至前記第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
第2の容量素子を有し、
前記第2の容量素子の一方の電極は、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2の容量素子の他方の電極は、前記第1の配線に電気的に接続される半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、
前記第1の配線は前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、
前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、
前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記抵抗素子の一方の電極に、電気的に接続され、
前記抵抗素子の他方の電極は前記第2の配線に、電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、
前記第1の配線には低電位信号が与えられ、
前記第2の配線には高電位信号が与えられる半導体装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一において、
前記第1の回路は、n個のトランジスタ(nは2以上の自然数)を有し、
前記第1の回路が有する前記n個のトランジスタは、前記第1の配線と前記第2の配線の間に直列に接続され、
前記第1の回路が有するn個のトランジスタは、隣接する2のトランジスタにおいて、一方のトランジスタのソースまたはドレインと他方のトランジスタのソースまたはドレインが電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのゲートは、前記第1の回路が有する前記n個のトランジスタの少なくとも一つのゲートに電気的に接続される半導体装置。 - 請求項1乃至請求項6に記載の半導体装置と、二次電池と、コンパレータと、第8のトランジスタと、を有し、
前記コンパレータの非反転入力端子および反転入力端子の一方は、前記二次電池の正極と電気的に接続され、他方は、前記第8のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、
前記第8のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、
前記第8のトランジスタをオン状態にすることにより、第1の電位を前記非反転入力端子および前記反転入力端子の他方に与え、前記第8のトランジスタをオフ状態にすることにより、前記第1の電位を前記非反転入力端子および前記反転入力端子の他方に保持する機能を有し、
前記コンパレータは、前記正極の電位と前記第1の電位の比較結果に応じた出力信号を出力する機能を有し、
前記発振器は、前記出力信号に応じて前記第1の配線と前記第2の配線の間の電流を遮断する機能を有する蓄電装置。 - 発振器と、第1のトランジスタと、第1の回路と、を有し、
前記第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、
前記発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、
前記第1の回路は、入力端子を有し、
前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第1の回路が有する前記入力端子と、前記第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、
前記第1のトランジスタをオン状態とし、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートに第1の電位を与える第1のステップと、
前記発振器が前記第1の電位に応じた第1の信号を、前記第1の回路が有する前記入力端子に与える第2のステップと、
前記第1のトランジスタをオフ状態とし、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートに与えられた前記第1の電位が保持される第3のステップと、
前記第1の回路が前記第1の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第4のステップと、を有する半導体装置の動作方法。 - 請求項8において、
第1の配線と、第2の配線と、抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、
前記第1の配線は前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記抵抗素子の一方の電極に、前記抵抗素子の他方の電極は前記第2の配線に、それぞれ電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、
前記第1のステップにおいて、前記第1の配線には低電位信号が、前記第2の配線には高電位信号が、それぞれ与えられ、
前記第3のステップにおいて、前記第1のトランジスタをオフ状態とした後、前記第6のトランジスタおよび前記第7のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、前記第1の配線と前記第2の配線との間に流れる電流が遮断される半導体装置の動作方法。 - 請求項9において、
第2の容量素子を有し、
前記第2の容量素子の一方の電極は、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2の容量素子の他方の電極は、前記第1の配線に電気的に接続される半導体装置の動作方法。 - 請求項8乃至請求項10のいずれか一において、
前記第1の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有する半導体装置の動作方法。 - 請求項8乃至請求項11のいずれか一において、
前記第2のトランジスタ乃至前記第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有する半導体装置の動作方法。 - 発振器と、第1のトランジスタと、第1の回路と、第2の回路と、第1の配線と、を有し、
前記第1のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、
前記発振器は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、
前記第1の回路は、入力端子を有し、
前記第1の配線は、前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第3のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートは、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第3のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第1の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第5のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第5のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第1の回路と、前記第4のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、
前記第2の回路は、二次電池の正極に電気的に接続され、
第1の電位を前記第2の回路に与える第1のステップと、
前記第2の回路において、前記第1の電位を保持する第2のステップと、
前記第2の回路が、前記正極の電位と前記第1の電位の比較結果に応じた第1の信号を出力する第3のステップと、
前記第2の回路が、前記第1の配線に低電位信号を与える第4のステップと、
前記第1のトランジスタをオン状態とし、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートに第2の電位を与える第5のステップと、
前記発振器が前記第1の電位に応じた第2の信号を前記第1の回路が有する前記入力端子に与える第6のステップと、
前記第1のトランジスタをオフ状態とし、前記第2のトランジスタのゲートおよび前記第3のトランジスタのゲートに与えられた前記第2の電位が保持される第7のステップと、
前記第1の回路が前記第2の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第8のステップと、を有する半導体装置の動作方法。 - 請求項13において、
第2の配線と、抵抗素子と、第6のトランジスタと、第7のトランジスタと、を有し、
前記第1の配線は前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第6のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第7のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記抵抗素子の一方の電極に、前記抵抗素子の他方の電極は前記第2の配線に、それぞれ電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第7のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、
前記第7のステップにおいて、前記第1のトランジスタをオフ状態とした後、前記第6のトランジスタおよび前記第7のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、前記第1の配線と前記第2の配線との間に流れる電流が遮断される半導体装置の動作方法。 - 請求項13または請求項14において、
第2の容量素子を有し、
前記第2の容量素子の一方の電極は、前記第1のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2の容量素子の他方の電極は、前記第1の配線に電気的に接続される半導体装置の動作方法。 - 請求項13乃至請求項15のいずれか一において、
前記第1の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有する半導体装置の動作方法。 - 請求項13乃至請求項16のいずれか一において、
前記第2のトランジスタ乃至前記第5のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有する半導体装置の動作方法。
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