JP2019091904A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
、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。特に、
本発明は、例えば、半導体、半導体装置、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記
憶装置、プロセッサに関する。または、半導体、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、
発光装置、記憶装置の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置
、発光装置、記憶装置の駆動方法に関する。
全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器
は、半導体装置を有する場合がある。
る。当該トランジスタは集積回路や表示装置のような半導体装置に広く応用されている。
トランジスタに適用可能な半導体としてシリコンが知られている。
リコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用
する場合、大面積基板への成膜技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適であ
る。一方、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を構成
するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能
な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温
での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
たトランジスタが開示されている(特許文献1参照。)。酸化物半導体は、スパッタリン
グ法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導体に用
いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を
有するため、駆動回路と画素回路とを同一基板上に形成するような高機能の表示装置を実
現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用
することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
献1参照。)。また、1995年には、In−Ga−Zn酸化物がホモロガス構造をとり
、InGaO3(ZnO)m(mは自然数。)という組成式で記述されることが報告され
ている(非特許文献2参照。)。
れた電気特性および信頼性を有する、結晶性In−Ga−Zn酸化物を用いたトランジス
タについて報告されている(非特許文献3参照。)。ここでは、CAAC(C−Axis
Aligned Crystal)を有するIn−Ga−Zn酸化物は、結晶粒界が明
確に確認されないことが報告されている。
さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低
いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献2参照。)
。また、酸化物半導体からなる活性層で井戸型ポテンシャルを構成することにより、高い
電界効果移動度を有するトランジスタが得られることが開示されている(特許文献3参照
。)。
一とする。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することを課
題の一とする。
新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半
導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、結晶性酸化物を
半導体に用いた半導体装置、または結晶性酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモ
ジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
たは、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ
時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、当該トランジ
スタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、酸化物半導体と、絶縁体と、導電体と、を有し、酸化物半導体は、絶
縁体を介して、酸化物半導体と導電体とが互いに重なる領域を有し、酸化物半導体は、円
相当径が1nm以上の結晶粒と、円相当径が1nm未満の結晶粒と、を有する半導体装置
である。
または、本発明の一態様は、酸化物半導体と、第1の導電体と、第2の導電体と、絶縁体
と、を有し、酸化物半導体は、絶縁体を介して、酸化物半導体と第1の導電体とが互いに
重なる領域を有し、酸化物半導体は、第2の導電体と接する領域を有し、酸化物半導体は
、円相当径が1nm以上の結晶粒と、円相当径が1nm未満の結晶粒と、を有する半導体
装置である。
または、本発明の一態様は、(2)において、第1の導電体は、第1の導電体と第2の導
電体とが互いに重なる領域を有する半導体装置である。
または、本発明の一態様は、(1)乃至(3)のいずれか一において、酸化物半導体は、
二次イオン質量分析法によって水素の濃度が1×1019atoms/cm3未満の領域
を有する半導体装置である。
または、本発明の一態様は、(1)乃至(4)のいずれか一において、酸化物半導体は、
二次イオン質量分析法によって炭素の濃度が1×1020atoms/cm3未満の領域
を有する半導体装置である。
。特に、結晶粒界などの欠陥の少ない酸化物を作製する方法を提供することができる。
導体装置を提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有する
モジュールを提供することができる。または、結晶性酸化物を半導体に用いた半導体装置
、または結晶性酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器
を提供することができる。
気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さい
トランジスタを提供することができる。または、当該トランジスタを有する半導体装置を
提供することができる。
様は、場合によって、または状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合もある
。または、例えば、本発明の一態様は、場合によって、または状況に応じて、これらの効
果を有さない場合もある。
明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に
理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるもの
ではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。
いる場合がある。
「幅」などで規定する場合、物体が収まる最小の立方体における一辺の長さ、または物体
の一断面における円相当径と読み替えてもよい。物体の一断面における円相当径とは、物
体の一断面と等しい面積となる正円の直径をいう。
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。
順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と
、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
ての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密
に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と
言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体
」と言い換えることができる場合がある。
ての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密
に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と
言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体
」と言い換えることができる場合がある。
が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導
体のDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度
が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導
体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族
元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、
水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素
などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形
成する場合がある。また、半導体がシリコン膜である場合、半導体の特性を変化させる不
純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第1
5族元素などがある。
る領域における深さ方向全体の濃度がBである場合、Aのある領域における深さ方向の濃
度の平均値がBである場合、Aのある領域における深さ方向の濃度の中央値がBである場
合、Aのある領域における深さ方向の濃度の最大値がBである場合、Aのある領域におけ
る深さ方向の濃度の最小値がBである場合、Aのある領域における深さ方向の濃度の収束
値がBである場合、測定上Aそのものの確からしい値の得られる領域における濃度がBで
ある場合などを含む。
する、と記載する場合、例えば、Aのある領域における全体の大きさ、長さ、厚さ、幅、
または距離がBである場合、Aのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離
の平均値がBである場合、Aのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の
中央値がBである場合、Aのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最
大値がBである場合、Aのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の最小
値がBである場合、Aのある領域における大きさ、長さ、厚さ、幅、または距離の収束値
がBである場合、測定上Aそのものの確からしい値の得られる領域での大きさ、長さ、厚
さ、幅、または距離がBである場合などを含む。
ジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重な
る領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電
極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つの
トランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。
電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領
域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのト
ランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。
ル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に
形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合
が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よ
りも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上
のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channe
l Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した
場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合があ
る。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い
込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによ
って、値を決定することができる。
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
たは断面図において、Aの少なくとも一端が、Bの少なくとも一端よりも外側にある形状
を有することを示す場合がある。したがって、AがBより迫り出した形状を有すると記載
されている場合、例えば上面図において、Aの一端が、Bの一端よりも外側にある形状を
有すると読み替えることができる。
配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、
「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう
。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。
。
図1に、本発明の一態様に係る酸化物半導体の断面図を示す。
152a、領域152bおよび領域154などを有する。
cope)による観察像(TEM像ともいう。)で、領域150a、領域150bおよび
領域150cは、円相当径が1nm以上の結晶部である。また、領域152aおよび領域
152bは、円相当径が1nm未満の結晶部である。なお、結晶部を結晶粒と呼びかえる
ことができる。なお、領域152aおよび領域152bは、円相当径が小さいため、TE
Mによって明確に結晶部を確認することが難しい場合がある。
合がある。例えば、領域150aと、領域150bと、領域150cと、が六方晶または
菱面体晶を有する場合がある。特に、領域150aと、領域150bと、領域150cと
、がホモロガス構造を有すると好ましい。
、a軸、b軸またはc軸)の向きは異なる。したがって、半導体106は、明確な結晶の
配向性を有さない。ただし、領域150aと、領域150bと、領域150cと、の間で
特定の結晶軸の向きが揃っても構わない。
る。酸化物半導体の構造の詳細については後述する。
50a、領域150bおよび領域150cが、InMO3(ZnO)2で示される結晶構
造を有し、領域154がInMO3(ZnO)で示される結晶構造を有しても構わない。
なお、元素MにはFe、Ga、Alなどがある。
n Mass Spectrometry)によって、水素濃度が1×1019atom
s/cm3未満となる領域、5×1018atoms/cm3未満となる領域、または3
×1018atoms/cm3未満となる領域を有する酸化物半導体である。
未満となる領域、または5×1019atoms/cm3未満となる領域を有する酸化物
半導体である。
未満となる領域、または5×1017atoms/cm3未満となる領域を有する酸化物
半導体である。
3未満となる領域、5×1016atoms/cm3未満となる領域、または3×101
6atoms/cm3未満となる領域を有する酸化物半導体である。
。
酸化物半導体とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystall
ine Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化
物半導体、非晶質酸化物半導体などをいう。
EM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分
解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリー
ともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OSは、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。
結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、
CAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形
状であり、CAAC−OSの被形成面または上面と平行に配列する。
ると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認で
きる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
される。例えば、CAAC−OSの上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電子線
を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される(
図2(A)参照。)。
配向性を有していることがわかる。
に収まる大きさである。したがって、CAAC−OSに含まれる結晶部は、一辺が10n
m未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただ
し、CAAC−OSに含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶部を形
成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm2以上、5
μm2以上または1000μm2以上となる結晶部が観察される場合がある。
を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OSのo
ut−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れ
る場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(0 0 9)面に帰属される
ことから、CAAC−OSの結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略
垂直な方向を向いていることが確認できる。
ne法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、
InGaZnO4の結晶の(1 1 0)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸
化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)と
して試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(1 1 0)面と等価な結晶
面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OSの場合は、2θを
56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な
方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面の高分解能TEM像で確認され
た層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。
た際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OSの被形成面または上
面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、CAAC−OSの形状
をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OSの被形成面また
は上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
えば、CAAC−OSの結晶部が、CAAC−OSの上面近傍からの結晶成長によって形
成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合
が高くなることがある。また、不純物の添加されたCAAC−OSは、不純物が添加され
た領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもあ
る。
よる解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる
場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS中の一部に、c軸配向性を有
さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OSは、2θが31°近傍にピーク
を示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。
コン、遷移金属元素などの酸化物半導体の主成分以外の元素である。特に、シリコンなど
の、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体
から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子
半径)が大きいため、酸化物半導体内部に含まれると、酸化物半導体の原子配列を乱し、
結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラ
ップやキャリア発生源となる場合がある。
体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリ
ア発生源となることがある。
実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は
、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。具体的には、8
×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×
1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体
を高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体という。したがって、当該酸
化物半導体を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリ
ーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性で
ある酸化物半導体は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体を用いた
トランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸
化物半導体のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位
密度が高い酸化物半導体を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
変動が小さい。
結晶酸化物半導体に含まれる結晶粒は、例えば、高分解能TEM像で、2nm以上300
nm以下、3nm以上100nm以下または5nm以上50nm以下の粒径であることが
多い。また、多結晶酸化物半導体は、高分解能TEM像で、結晶粒界を確認できる場合が
ある。
異なっている場合がある。また、多結晶酸化物半導体に対し、XRD装置を用いて構造解
析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有する多結晶酸化物半導体のout−of
−plane法による解析では、2θが31°近傍のピーク、2θが36°近傍のピーク
、またはそのほかのピークが現れる場合がある。
したがって、多結晶酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する
。ただし、多結晶酸化物半導体は、結晶粒界に不純物が偏析する場合がある。また、多結
晶酸化物半導体の結晶粒界は欠陥準位となる。多結晶酸化物半導体は、結晶粒界がキャリ
アトラップやキャリア発生源となる場合があるため、多結晶酸化物半導体を用いたトラン
ジスタは、CAAC−OSを用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信
頼性の低いトランジスタとなる場合がある。
と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体に含
まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさで
あることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶
であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体を、nc−OS
(nanocrystalline Oxide Semiconductor)と呼ぶ
。また、nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない
場合がある。したがって、本発明の一態様に係る酸化物半導体は、さらに1nm未満の結
晶部を有する微結晶酸化物半導体の一種であるといえる。
nm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、異なる結晶
部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、非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合が
ある。例えば、nc−OSに対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装置を用
いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピー
クが検出されない。また、nc−OSに対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば5
0nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行うと、ハロ
ーパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OSに対し、結晶部の大き
さと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、
スポットが観測される。また、nc−OSに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描く
ように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OSに対し
ナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合があ
る(図2(B)参照。)。
nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS
は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAA
C−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
る。キャリア密度が高い酸化物半導体は、電子移動度が高くなる場合がある。したがって
、nc−OSを用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有する場合がある。また、
nc−OSは、CAAC−OSと比べて、欠陥準位密度が高いため、キャリアトラップが
多くなる場合がある。したがって、nc−OSを用いたトランジスタは、CAAC−OS
を用いたトランジスタと比べて、電気特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタと
なる。ただし、nc−OSは、比較的不純物が多く含まれていても形成することができる
ため、CAAC−OSよりも形成が容易となり、用途によっては好適に用いることができ
る場合がある。そのため、nc−OSを用いたトランジスタを有する半導体装置は、生産
性高く作製することができる場合がある。
半導体である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体が一例である。
ane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導
体に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体
に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測さ
れる。
非晶質酸化物半導体は、欠陥準位密度の高い酸化物半導体である。
生源が多い酸化物半導体である。
る場合がある。そのため、非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン
の電気特性になりやすい。したがって、ノーマリーオンの電気特性が求められるトランジ
スタに好適に用いることができる場合がある。非晶質酸化物半導体は、欠陥準位密度が高
いため、キャリアトラップが多くなる場合がある。したがって、非晶質酸化物半導体を用
いたトランジスタは、CAAC−OSやnc−OSを用いたトランジスタと比べて、電気
特性の変動が大きく、信頼性の低いトランジスタとなる。
化物半導体である。そのため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、単結
晶酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオンの電気特性になることが少ない
。また、単結晶酸化物半導体は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、キャリア
トラップが少なくなる場合がある。したがって、単結晶酸化物半導体を用いたトランジス
タは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。
が高いと密度が高くなる。また、酸化物半導体は、水素などの不純物濃度が低いと密度が
高くなる。単結晶酸化物半導体は、CAAC−OSよりも密度が高い。また、CAAC−
OSは、微結晶酸化物半導体よりも密度が高い。また、多結晶酸化物半導体は、微結晶酸
化物半導体よりも密度が高い。また、微結晶酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体よりも
密度が高い。
る場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体
(a−like OS:amorphous−like Oxide Semicond
uctor)と呼ぶ。
場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領
域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a−like OSは、TE
Mによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる
場合がある。一方、良質なnc−OSであれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射
による結晶化はほとんど見られない。
像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnO4の結晶は層状構造を有し、In
−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnO4の結晶の単位格子は、
In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に
重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(0 0 9)面の
格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nm
と求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔
が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInG
aZnO4の結晶のa−b面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域の最大
長を、a−like OSおよびnc−OSの結晶部の大きさとする。なお、結晶部の大
きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。
OS(白丸で表記。)の結晶部(20箇所から40箇所)の平均の大きさの変化を調査し
た例である。図3より、a−like OSは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大き
くなっていくことがわかる。具体的には、TEMによる観察初期においては1.2nm程
度の大きさだった結晶部が、累積照射量が4.2×108e−/nm2においては2.6
nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、良質なnc−OSは、電子照射
開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/nm2になるまでの範囲で、電子の
累積照射量によらず結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。
近似して、電子の累積照射量0e−/nm2まで外挿すると、結晶部の平均の大きさが正
の値をとることがわかる。そのため、a−like OSおよびnc−OSの結晶部が、
TEMによる観察前から存在していることがわかる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの構造について説明する。
は、基板100上の絶縁体102と、絶縁体102上の半導体106と、半導体106の
上面と接する導電体116aおよび導電体116bと、半導体106上、導電体116a
上および導電体116b上の絶縁体112と、絶縁体112を介して半導体106と重な
る導電体104と、を有する。なお、導電体104は、トランジスタのゲート電極として
機能する。また、導電体116aおよび導電体116bは、トランジスタのソース電極お
よびドレイン電極として機能する。また、図4(A)に示すトランジスタは、半導体10
6の上面と接する導電体116aおよび導電体116bを有するが、これに限定されない
。例えば、半導体106の下面と接する導電体116aおよび導電体116bを有しても
構わない。
部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なく
とも一部(または全部)に設けられている。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)と、接している。または、導電体116a(または/および導
電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの半導体の少な
くとも一部(または全部)と、接している。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。または、導電体116a(また
は/および導電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの
半導体の少なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)に、近接して配置されている。または、導電体116a(また
は/および導電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの
半導体の少なくとも一部(または全部)に、近接して配置されている。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の横側に配置されている。または、導電体116a(または/
および導電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの半導
体の少なくとも一部(または全部)の横側に配置されている。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。または、導電体116a(また
は/および導電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの
半導体の少なくとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。
全部)は、半導体106などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の上側に配置されている。または、導電体116a(または/
および導電体116b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体106などの半導
体の少なくとも一部(または全部)の上側に配置されている。
図である。バンド図は、理解を容易にするため、絶縁体102、半導体106および絶縁
体112の伝導帯下端のエネルギー(Ec)と、導電体104のフェルミ準位(ferm
i level)を示す。なお、真空準位(vacuum level)と伝導帯下端の
エネルギーとの差を、電子親和力(electron affinity)と呼ぶ。
以下の説明をpチャネル型トランジスタに適用することは、当業者であれば容易に想到し
うるものとして省略する。
連続的に変化する(段階的ではなく、なだらかに変化すると表現することもできる。)。
具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導体106の界面に向
かって低くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界面に向かって低くな
るような勾配と、を有するU字状となる。
の間で一定となる。
変化していくことを、連続接合(continuous junction)と呼ぶ。一
方、図4(C)に示すように、絶縁体102から絶縁体112までの間で、バンド図が一
定であることを、不連続接合(discontinuous junction)と呼ぶ
。
、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、絶縁体102
および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界面には、異種
接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場合がある。
領域)が界面準位を有する領域から離れる。即ち、界面準位の影響を受けにくい構造であ
るため、界面準位に起因したオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高
く、サブスレッショルドスイング値(S値ともいう。)の低いトランジスタとなる。また
、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体102および半導体1
06の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生じるリーク電流は小
さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。また、界面準位を
有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより、界面準位にキャリ
アが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変動が起こりにくく、
信頼性の高いトランジスタとなる。
以下では、連続接合を有するトランジスタの作製方法について、図4(A)を用いて説明
する。
。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコ
ニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体
基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリ
コン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウ
ムなどの化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を
有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板な
どがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などが
ある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さら
には、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶
縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。
または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子と
しては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板100に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板100として
、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板100が
伸縮性を有してもよい。また、基板100は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形
状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板1
00の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm
以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板100を薄くすると、
半導体装置を軽量化することができる。また、基板100を薄くすることで、ガラスなど
を用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に
戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板100上の半導体装置に
加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができ
る。
たはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板100は、線膨張
率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板100とし
ては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×1
0−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリ
オレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、
アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板
100として好適である。
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体102としては、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
である。例えば、過剰酸素を含む酸化シリコンは、加熱処理などによって酸素を放出する
ことができる酸化シリコンである。したがって、絶縁体102は膜中を酸素が移動可能な
絶縁体である。即ち、絶縁体102は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。
る。半導体106中で酸素欠損は、DOSを形成し、正孔トラップなどとなる。また、酸
素欠損のサイトに水素が入ることによって、キャリアである電子を生成することがある。
したがって、半導体106中の酸素欠損を低減することで、トランジスタに安定した電気
特性を付与することができる。
ermal Desorption Spectroscopy)分析にて、100℃以
上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で1×1018ato
ms/cm3以上、1×1019atoms/cm3以上または1×1020atoms
/cm3以上の酸素(酸素原子数換算)を放出することもある。
例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。
測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NO2)は、下に示す式
で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量電荷比32で検出されるガス
の全てが酸素分子由来と仮定する。CH3OHは質量電荷比が32であるが、存在する可
能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の
酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比
率が極微量であるため考慮しない。
料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、N
H2/SH2とする。SO2は、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値で
ある。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に
関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科
学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として、
例えば1×1016atoms/cm2の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する
。
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。
の放出量の2倍となる。
具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、5×1017spins/cm3
以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、ESRにて、g値が2.
01近傍に非対称の信号を有することもある。
あってもよい。酸素が過剰な酸化シリコン(SiOX(X>2))は、シリコン原子数の
2倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン原
子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford B
ackscattering Spectrometry)により測定した値である。
or Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular
Beam Epitaxy)法またはパルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Las
er Deposition)法、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer
Deposition)法などを用いて成膜すればよい。絶縁体102は、CVD法で成
膜すると好ましい。
法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、1層目をCVD法で成膜し、2
層目をALD法で成膜してもよい。または、1層目をスパッタリング法で成膜し、2層目
をALD法で成膜してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによ
って、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層
することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n+1層目の膜を、スパッタリング法、
CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜
する(nは自然数)。なお、n層目の膜と、n+1層目の膜とで、成膜方法が同じでも異
なっていてもよい。なお、n層目の膜とn+2層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。
または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよい。
酸化法によって形成してもよい。
2の成膜後に酸素を添加しても構わない。酸素の添加は、例えば、イオン注入法により、
加速電圧を2kV以上100kV以下とし、ドーズ量を5×1014ions/cm2以
上5×1016ions/cm2以下として行えばよい。
Chemical Mechanical Polishing)処理を行ってもよい。
CMP処理を行うことで、絶縁体102となる絶縁体の平均面粗さ(Ra)を1nm以下
、好ましくは0.3nm以下、さらに好ましくは0.1nm以下とする。上述の数値以下
のRaとすることで、半導体106の結晶性が向上する場合がある。Raは原子間力顕微
鏡(AFM:Atomic Force Microscope)にて測定可能である。
については後述する。
の加工面にダメージが入らないようエッチングすることが好ましい。例えば、ドライエッ
チング法を用いて、中性ビームエッチングを行えばよい。中性ビームであることから、電
荷によるチャージアップが起こらず、また低エネルギーであるため、低ダメージでエッチ
ングすることが可能となる。または、半導体106が結晶である場合、結晶面によってエ
ッチレートが異なることを利用したウェットエッチング法を用いても構わない。ウェット
エッチング法を用いることにより、加工面へのダメージを低減することができる。
和力を連続的に変化させるためには、例えば、組成を連続的に変化させる方法や不純物濃
度を連続的に変化させる方法などがある。
化する半導体と、電子親和力が連続的に変化しない半導体とを組み合わせて、積層膜を形
成してもよい。例えば、電子親和力が連続的に変化しない半導体の上下を、電子親和力が
連続的に変化する半導体で挟んだ3層構造としてもよいし、電子親和力が連続的に変化す
る半導体の上下を、電子親和力が連続的に変化しない半導体で挟んだ3層構造としてもよ
い。
成膜することができる。
nhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CV
D)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Met
al CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD
)法に分けることができる。
いないため、プラズマダメージが生じず、欠陥の少ない膜が得られる。
えば、MCVD法およびMOCVD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜
を成膜することができる。また、例えば、MCVD法およびMOCVD法では、成膜しな
がら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜する
ことができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて
成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くする
ことができる。したがって、トランジスタの生産性を高めることができる。MOCVD法
を用いることが可能な成膜装置の具体例については後述する。
的に変化した膜を成膜してもよい。
に、絶縁体102へダメージを与えない成膜方法を用いると好ましい。即ち、該半導体の
成膜には、例えば、MOCVD法などを用いると好ましい。
CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法
、PLD法、ALD法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい
。例えば、1層目をMOCVD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい
。または、1層目をALD法で成膜し、2層目をMOCVD法で成膜してもよい。または
、1層目をALD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または、1
層目をALD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜し、3層目をALD法で成膜
してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に
異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって
、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n+1層目の膜を、CVD法(
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜する場合、n層目の膜と、n+1層
目の膜とで、成膜方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+2
層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じ
でもよい。
102、または絶縁体102の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用
いてもよい。例えば、どちらも、ALD法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせ
ずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例え
ば、半導体106と接する絶縁体102と、絶縁体102と接する半導体106とは、同
じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その
結果、不純物の混入を防ぐことができる。このように、半導体106と絶縁体102の場
合だけでなく、近接して配置されている別々の膜において、同じ成膜方法を用いてもよい
。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定されない。
処理を行うことが好ましい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは
450℃以上600℃以下で行えばよい。第1の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または
酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。第1の加
熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第1の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱
処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または
10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理によって、半導体10
6となる半導体、または半導体106の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を
除去することなどができる。
シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、
亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウ
ム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で
用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅お
よびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素
を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
BE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。
電体を成膜した後で、該導電体の一部をエッチングすることで形成される。したがって、
該導電体の成膜時に、半導体106へダメージを与えない成膜方法を用いると好ましい。
即ち、該導電体の成膜には、MCVD法などを用いると好ましい。
を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MB
E法、PLD法、ALD法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜しても
よい。例えば、1層目をMOCVD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜しても
よい。または、1層目をALD法で成膜し、2層目をMOCVD法で成膜してもよい。ま
たは、1層目をALD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または
、1層目をALD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜し、3層目をALD法で
成膜してもよい。このように、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の
膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによ
って、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
層目の膜を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など
)、MBE法、PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n+1
層目の膜を、CVD法(プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など
)、MBE法、PLD法、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n層目
の膜と、n+1層目の膜とで、成膜方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n
層目の膜とn+2層目の膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において
、成膜方法が同じでもよい。
積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体106、または半導体106の積層膜の内の
少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ALD法を
用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純
物の混入を防ぐことができる。または、例えば、半導体106と接する導電体116a(
導電体116b)と、導電体116a(導電体116b)と接する半導体106とは、同
じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その
結果、不純物の混入を防ぐことができる。このように、半導体106と導電体116a(
導電体116b)の場合だけでなく、近接して配置されている別々の膜において、同じ成
膜方法を用いてもよい。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これら
に限定されない。
積層膜の内の少なくとも一つの膜と、半導体106、または半導体106の積層膜の内の
少なくとも一つの膜と、絶縁体102、または絶縁体102の積層膜の内の少なくとも一
つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どれも、ALD法を用いてもよい。
これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐ
ことができる。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定さ
れない。
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体112としては、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
を用いて成膜すればよい。絶縁体112は、CVD法で成膜すると好ましい。
CVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法、ALD
法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、1層目を
MOCVD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または、1層目を
ALD法で成膜し、2層目をMOCVD法で成膜してもよい。または、1層目をALD法
で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または、1層目をALD法で成
膜し、2層目をスパッタリング法で成膜し、3層目をALD法で成膜してもよい。このよ
うに、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を
持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として
、より適切な膜を構成することができる。
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n+1層目の膜を、CVD法(
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n層目の膜と、n+1層目の膜
とで、成膜方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+2層目の
膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよ
い。
116a(導電体116b)、または導電体116a(導電体116b)の積層膜の内の
少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どちらも、ALD法を
用いてもよい。これにより、大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純
物の混入を防ぐことができる。または、例えば、絶縁体112と接する導電体116a(
導電体116b)と、導電体116a(導電体116b)と接する絶縁体112とは、同
じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その
結果、不純物の混入を防ぐことができる。
116a(導電体116b)、または導電体116a(導電体116b)の積層膜の内の
少なくとも一つの膜と、半導体106、または半導体106の積層膜の内の少なくとも一
つの膜と、絶縁体102、または絶縁体102の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、
同じ成膜方法を用いてもよい。例えば、どれも、ALD法を用いてもよい。これにより、
大気に触れさせずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる
。ただし、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定されない。
に含まれる過剰酸素が半導体106まで移動する。そのため、半導体106の欠陥(酸素
欠損)を低減することができる。なお、第2の加熱処理は、絶縁体102中の過剰酸素(
酸素)が半導体106まで拡散する温度で行えばよい。例えば、第1の加熱処理について
の記載を参照しても構わない。または、第2の加熱処理は、第1の加熱処理よりも低い温
度が好ましい。第1の加熱処理と第2の加熱処理の温度差は、20℃以上150℃以下、
好ましくは40℃以上100℃以下とする。これにより、絶縁体102から余分に過剰酸
素(酸素)が放出することを抑えることができる。
ニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イット
リウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよ
びタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、
合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体
、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンお
よび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
ALD法などを用いて成膜すればよい。
は、導電体104となる導電体の成膜時に、絶縁体112へダメージを与えない成膜方法
を用いると好ましい。即ち、該導電体の成膜には、MCVD法などを用いると好ましい。
CVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法、ALD
法などのような成膜方法を用いて、異なる成膜方法で成膜してもよい。例えば、1層目を
MOCVD法で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または、1層目を
ALD法で成膜し、2層目をMOCVD法で成膜してもよい。または、1層目をALD法
で成膜し、2層目をスパッタリング法で成膜してもよい。または、1層目をALD法で成
膜し、2層目をスパッタリング法で成膜し、3層目をALD法で成膜してもよい。このよ
うに、それぞれ、異なる成膜方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を
持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として
、より適切な膜を構成することができる。
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n+1層目の膜を、CVD法(
プラズマCVD法、熱CVD法、MCVD法、MOCVD法など)、MBE法、PLD法
、ALD法などのうちの少なくとも1つの方法で成膜し、n層目の膜と、n+1層目の膜
とで、成膜方法が異なっていてもよい(nは自然数)。なお、n層目の膜とn+2層目の
膜とで、成膜方法が同じでもよい。または、すべての膜において、成膜方法が同じでもよ
い。
112、または絶縁体112の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法を用
いてもよい。例えば、どちらも、ALD法を用いてもよい。これにより、大気に触れさせ
ずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。または、例え
ば、絶縁体112と接する導電体104と、導電体104と接する絶縁体112とは、同
じ成膜方法を用いてもよい。これにより、同じチャンバーで成膜することができる。その
結果、不純物の混入を防ぐことができる。
112、または絶縁体112の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、導電体116a(導
電体116b)、または導電体116a(導電体116b)の積層膜の内の少なくとも一
つの膜と、半導体106、または半導体106の積層膜の内の少なくとも一つの膜と、絶
縁体102、または絶縁体102の積層膜の内の少なくとも一つの膜とは、同じ成膜方法
を用いてもよい。例えば、どれも、ALD法を用いてもよい。これにより、大気に触れさ
せずに成膜することができる。その結果、不純物の混入を防ぐことができる。ただし、本
発明の一態様に係る半導体装置の作製方法は、これらに限定されない。
に含まれる過剰酸素が半導体106まで移動する。そのため、半導体106の欠陥(酸素
欠損)を低減することができる。なお、第3の加熱処理は、絶縁体102中の過剰酸素(
酸素)が半導体106まで拡散する温度で行えばよい。例えば、第1の加熱処理について
の記載を参照しても構わない。または、第3の加熱処理は、第1の加熱処理よりも低い温
度が好ましい。第1の加熱処理と第3の加熱処理の温度差は、20℃以上150℃以下、
好ましくは40℃以上100℃以下とする。これにより、絶縁体102から余分に過剰酸
素(酸素)が放出することを抑えることができる。なお、トランジスタを覆って酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を形成したあとで、第3の加熱処理を行っても構わない。
その場合、過剰酸素が外方拡散することを抑制でき、効率よく半導体106の欠陥(酸素
欠損)を低減することができる。
も構わない。
上述したように、組成などを連続的に変化させながら成膜することにより、半導体などの
バンド図を任意に制御できることがわかる。以下では、図4(B)、図4(C)に示した
バンド図とは異なるバンド図を有するトランジスタの例について図5乃至図9を用いて説
明する。なお、図5乃至図8に示すバンド図は、図4(A)に示したトランジスタの一点
鎖線L1−L2に対応する。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって低くなるような勾配を有する。また、半導体106と絶縁体1
12との界面において、電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入な
どに起因した界面準位が形成される場合がある。
離れる。即ち、界面準位の影響を受けにくい構造であるため、界面準位に起因したオン電
流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトランジスタとなる
。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体102および半
導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生じるリーク電
流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。また、界面
準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより、界面準位に
キャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変動が起こりに
くく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、半導体106および絶縁
体112の界面に向かって低くなるような勾配を有する。また、絶縁体102と半導体1
06との界面において、電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
半導体106および絶縁体112の界面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入な
どに起因した界面準位が形成される場合がある。
離れる。即ち、界面準位の影響を受けにくい構造であるため、界面準位に起因したオン電
流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトランジスタとなる
。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより
、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変
動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって低くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界
面に向かって低くなるような勾配と、を有する連続接合となる。また、絶縁体102およ
び絶縁体112も、半導体106に向かって電子親和力が高くなる勾配を有する連続接合
となる。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界
面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場
合がある。
位密度を低くすることができる。また、チャネル領域が界面準位を有する領域から離れる
。即ち、界面準位密度が低く、かつその影響を受けにくい構造であるため、界面準位に起
因したオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトラン
ジスタとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体1
02および半導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生
じるリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる
。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより
、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変
動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって低くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界
面に向かって低くなるような勾配と、半導体106の中央近傍に向かって電子親和力が高
くなるような勾配と、を有する連続接合となる。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界
面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場
合がある。
より離れる。即ち、界面準位の影響を特に受けにくい構造であるため、界面準位に起因し
たオン電流の低下が特に起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトラン
ジスタとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体1
02および半導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生
じるリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる
。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより
、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変
動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって低くなるような勾配と、半導体106の中央近傍に向かって高
くなるような勾配と、を有する。また、半導体106と絶縁体112との界面において、
電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界
面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場
合がある。
より離れる。即ち、界面準位の影響を特に受けにくい構造であるため、界面準位に起因し
たオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトランジス
タとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体102
および半導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生じる
リーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。ま
た、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより、界
面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変動が
起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、半導体106の中央近傍
に向かって高くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界面に向かって低
くなるような勾配と、を有する。また、絶縁体102と半導体106との界面において、
電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界
面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場
合がある。
より離れる。即ち、界面準位密度が低く、かつその影響を特に受けにくい構造であるため
、界面準位に起因したオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S
値の低いトランジスタとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。その
ため、絶縁体102および半導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くな
り、該領域で生じるリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくす
ることができる。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差が
あることにより、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因し
た電気特性の変動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって低くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界
面に向かって低くなるような勾配と、半導体106の中央近傍に向かって高くなるような
勾配と、を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界
面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場
合がある。
より離れる。即ち、界面準位の影響を特に受けにくい構造であるため、界面準位に起因し
たオン電流の低下が特に起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトラン
ジスタとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体1
02および半導体106の界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生
じるリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる
。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより
、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変
動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
cと、を有する。半導体106aおよび半導体106cは、それぞれ略一定の電子親和力
を有する。また、半導体106bの電子親和力は、半導体106bの中央近傍に向かって
高くなるような勾配を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106aの界面、ならびに半導体106cおよび絶縁体112
の界面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成され
る場合がある。
より離れる。即ち、界面準位の影響を特に受けにくい構造であるため、界面準位に起因し
たオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S値の低いトランジス
タとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。そのため、絶縁体102
および半導体106aの界面近傍の領域におけるキャリア密度が低くなり、該領域で生じ
るリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。
また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差があることにより、
界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因した電気特性の変動
が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
cと、を有する。半導体106a、半導体106bおよび半導体106cは、それぞれ略
一定の電子親和力を有する不連続接合となる。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106aの界面、ならびに半導体106cおよび絶縁体112
の界面には、異種接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成され
る場合がある。
より離れる。即ち、界面準位密度が低く、かつその影響を特に受けにくい構造であるため
、界面準位に起因したオン電流の低下が起こりにくい。したがって、オン電流が高く、S
値の低いトランジスタとなる。また、ゲート電極からの電界が相対的に小さくなる。その
ため、絶縁体102および半導体106aの界面近傍の領域におけるキャリア密度が低く
なり、該領域で生じるリーク電流は小さくなる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さく
することができる。また、界面準位を有する領域と、チャネル領域との間にエネルギー差
があることにより、界面準位にキャリアが捕獲されにくい。したがって、界面準位に起因
した電気特性の変動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって高くなるような勾配と、半導体106および絶縁体112の界
面に向かって高くなるような勾配と、を有する。また、絶縁体102と半導体106との
界面において、電子親和力の不連続点を有する。また、半導体106と絶縁体112との
界面において、電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
半導体106および絶縁体112の界面における電子親和力が高いことにより、ゲート電
極からの電界に対して敏感となる。また、例えば、絶縁体102および半導体106の界
面における電子親和力が高いことにより、低いゲート電圧でトランジスタをオン(導通)
させることができる。
となる。したがって、S値の低いトランジスタとなる。また、低いゲート電圧で高いオン
電流を得ることができる。即ち、消費電力の小さいトランジスタとすることができる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、絶縁体102および半導
体106の界面に向かって高くなるような勾配を有する。また、絶縁体102と半導体1
06との界面において、電子親和力の不連続点を有する。また、半導体106と絶縁体1
12との界面において、電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
絶縁体102および半導体106の界面における電子親和力が高いことにより、低いゲー
ト電圧でトランジスタをオンさせることができる。
ができる。即ち、消費電力の小さいトランジスタとすることができる。
連続的に変化する。具体的には、半導体106の電子親和力は、半導体106および絶縁
体112の界面に向かって高くなるような勾配を有する。また、絶縁体102と半導体1
06との界面において、電子親和力の不連続点を有する。また、半導体106と絶縁体1
12との界面において、電子親和力の不連続点を有する。
場合と比べて、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、
半導体106および絶縁体112の界面における電子親和力が高いことにより、ゲート電
極からの電界に対して敏感となる。
となる。したがって、S値の低いトランジスタとなる。
図である。バンド図は、上述した構成に加え、絶縁体102、半導体106および絶縁体
112の価電子帯上端のエネルギー(Ev)を示す。なお、真空準位と価電子帯上端のエ
ネルギーとの差を、イオン化エネルギー(ionization energy)と呼ぶ
。
2の間で連続的に変化する。具体的には、半導体106のイオン化エネルギーは、絶縁体
102および半導体106の界面に向かって高くなるような勾配と、半導体106および
絶縁体112の界面に向かって高くなるような勾配と、を有する逆U字状となる。
体112の間で一定となる。
、トランジスタの電気特性を向上させることができる場合がある。例えば、絶縁体102
および半導体106の界面、ならびに半導体106および絶縁体112の界面には、異種
接合、成膜ダメージ、不純物の混入などに起因した界面準位が形成される場合がある。
る領域から離れるため、界面準位に正孔が捕獲されにくくなる。即ち、界面準位の影響を
受けにくい構造であるため、界面準位に起因したオン電流の低下が起こりにくい。したが
って、界面準位に起因した電気特性の変動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタと
なる。
合がある。図9(B)に示すバンド図では、例えば、半導体に光が入射することで正孔が
生成された際、ゲート電極に電圧が印加されると半導体106中の準位を介して絶縁体1
02または/および絶縁体112中の正孔捕獲中心まで正孔が移動する場合がある。絶縁
体102または/および絶縁体112中の正孔捕獲中心に捕獲された正孔は放出されにく
いため、固定電荷として振舞う場合がある。
2または/および絶縁体112中の正孔捕獲中心とが離れる。そのため、例えば、半導体
に光が入射することで正孔が生成された際でも、半導体106中の準位を介して絶縁体1
02または/および絶縁体112中の正孔捕獲中心まで正孔が移動することが起こりにく
くなる。したがって、絶縁体102または/および絶縁体112中に正孔捕獲中心を有す
る場合でも、電気特性の変動が起こりにくく、信頼性の高いトランジスタとなる。
有するトランジスタを得ることができる。
を組み合わせて作成したバンド図を有するトランジスタについても、本発明の一態様の範
疇となる。
以下では、本発明の一態様に係る半導体などを成膜することが可能な、成膜装置の具体例
について説明する。
室703、熱CVD法を利用した成膜室である処理室731、アンロード室706を少な
くとも有する。また、図10(A)に示す製造装置は、大気に触れることなく、連続的に
成膜を行うことができる。そのため、積層膜を成膜する場合、膜中および膜の界面へ不純
物の混入を防止することができる。なお、製造装置のチャンバー(ロード室、処理室、搬
送室、成膜室、アンロード室などを含む)は、チャンバー内壁への水分の付着などを防ぐ
ため、露点が−60℃未満、好ましくは−80℃未満、さらに好ましくは−100℃未満
の不活性ガス(窒素ガス、希ガスなど)を充填させておくことが好ましい。または、チャ
ンバーは、圧力を1Pa未満、好ましくは0.1Pa未満、さらに好ましくは1×10−
4Pa未満の減圧状態とする。
利用する成膜室(熱CVD装置ともいう。)としてもよい。
05にて金属を成膜してもよい。その場合、それらの積層膜を大気に触れることなく、連
続的に成膜することができる。
7によって基板を前処理室703に搬送する。前処理室703では、基板表面を洗浄する
処理や加熱処理を行う。次に、基板を処理室731に搬送して半導体を成膜する。前処理
室703で処理されることによって、基板表面を清浄化することができる。また、基板表
面の処理から半導体の成膜までの間に大気に触れないため、不純物などが基板表面に付着
することを抑制できる。
絶縁体を成膜する。次に、搬送ユニット707によって基板を処理室705に搬送してタ
ングステンなどの金属を成膜する。次に、搬送ユニット707によって基板をアンロード
室706に搬送する。以上の手順により、半導体、絶縁体および金属を順に積層すること
ができる。
ーに原料ガス(一種または複数種)、酸化剤(O2、O3など)などを同時に供給し、基
板近傍または基板表面で反応させ、生成物を堆積させることで成膜を行う。
れた部材721と、排気装置718とを少なくとも有する。原料ガスの導入口には、それ
ぞれ供給管、圧力調整器、バルブ、マスフローコントローラ(マスフローコントローラ7
22、マスフローコントローラ724、マスフローコントローラ726、マスフローコン
トローラ728)を介して原料供給部(原料供給部723、原料供給部725、原料供給
部727、原料供給部729)と接続されており、排出口は、排出管やバルブや圧力調整
器を介して排気装置718と接続されている。
供給してもよい。
ホルダ719に固定されている基板720を回転させてもよい。
ることがない。
ば、In−Ga−Zn酸化物を成膜する場合には、原料ガスとして、トリメチルインジウ
ム((CH3)3In)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)、およびジメチル亜
鉛((CH3)2Zn)などを用いる。ただし、In−Ga−Zn酸化物の原料ガスは、
これらの組み合わせに限定されない。例えば、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガ
リウム((C2H5)3Ga)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛
((C2H5)2Zn)を用いることもできる。また、例えば、酸化ガリウムを成膜する
場合には、原料ガスとして、トリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムを用いればよ
い。
装置の例を示しているが、それより角の多い多角形(七角形、八角形など)としてより多
くのチャンバーと連結させてもよい。または、搬送室710の上面形状が五角形または四
角形であるマルチチャンバーの製造装置であってもよい。また、チャンバーを複数連結す
ることで搬送室を省略した、インライン製造装置としてもよい。インライン製造装置は、
搬送室を有さないことにより、搬送の時間が短くできるため、生産性の高い製造装置であ
る。なお、図10(A)では枚葉式の製造装置の例を示したが、複数枚の基板を一度に成
膜するバッチ式の製造装置としてもよい。また、各処理室にクリーニング(例えばプラズ
マクリーニングなど)を行うための機構を有してもよい。
VD装置を用いる例を示したが、いずれか一をスパッタリング装置やALD装置など、そ
のほかの成膜装置としてもよい。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの構造について説明する。
図11(A)および図11(B)は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面
図である。図11(A)は上面図であり、図11(B)は、図11(A)に示す一点鎖線
A1−A2、および一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。なお、図11(A)の
上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
縁体402と、絶縁体402の凸部上の半導体406と、半導体406の上面および側面
と接する導電体416aおよび導電体416bと、半導体406上、導電体416a上お
よび導電体416b上の絶縁体412と、絶縁体412の上面に接し、半導体406の上
面および側面に面する導電体404と、導電体416a上、導電体416b上および導電
体404上の絶縁体418と、を有する。なお、絶縁体402が凸部を有さなくても構わ
ない。なお、導電体404は、トランジスタのゲート電極として機能する。また、導電体
416aおよび導電体416bは、トランジスタのソース電極およびドレイン電極として
機能する。
の側面と接する。また、導電体404の電界によって、半導体406を電気的に取り囲む
ことができる(導電体から生じる電界によって、半導体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。
)。そのため、半導体406の全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。s−
channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ
、高いオン電流を得ることができる。
適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体
装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、ト
ランジスタのチャネル長を、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、
より好ましくは20nm以下とし、かつ、トランジスタのチャネル幅を、好ましくは40
nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とする。
部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なく
とも一部(または全部)に設けられている。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および、下面の少
なくとも一部(または全部)と、接している。または、導電体416a(または/および
導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406などの半導体の少
なくとも一部(または全部)と、接している。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および、下面の少
なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。または、導電体416a(ま
たは/および導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406など
の半導体の少なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)に、近接して配置されている。または、導電体416a(また
は/および導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406などの
半導体の少なくとも一部(または全部)に、近接して配置されている。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の横側に配置されている。または、導電体416a(または/
および導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406などの半導
体の少なくとも一部(または全部)の横側に配置されている。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。または、導電体416a(また
は/および導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406などの
半導体の少なくとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。
全部)は、半導体406などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少な
くとも一部(または全部)の上側に配置されている。または、導電体416a(または/
および導電体416b)の、少なくとも一部(または全部)は、半導体406などの半導
体の少なくとも一部(または全部)の上側に配置されている。
ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)
との距離をいう。即ち、図11(A)では、チャネル長は、半導体406と導電体404
とが重なる領域における、導電体416aと導電体416bとの距離となる。チャネル幅
とは、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが平行に向かい
合っている長さをいう。即ち、図11(A)では、チャネル幅は、半導体406と導電体
404とが重なる領域における、導電体416aと導電体416bとが平行に向かい合っ
ている長さをいう。
ついての記載を参照する。半導体406は、半導体106についての記載を参照する。導
電体416aおよび導電体416bは、導電体116aおよび導電体116bについての
記載を参照する。絶縁体412は、絶縁体112についての記載を参照する。導電体40
4は、導電体104についての記載を参照する。
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体418としては、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
体406が酸化物半導体である場合、絶縁体402は、半導体406に酸素を供給する役
割を担うことができる。したがって、絶縁体402は酸素を含む絶縁体であることが好ま
しい。例えば、化学量論的組成よりも多い酸素を含む絶縁体であることがより好ましい。
化物は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また
、酸化物半導体は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガ
リウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素として
は、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、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
ンなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合が
ある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Mは、例えば
、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導
体は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含むと、例えば、酸化物を結晶化しやすく
なる。
えば、酸化ガリウム、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物であっても構わない。
ルギーギャップは、例えば、2.2eV以上5.0eV以下、好ましくは2.5eV以上
4.5eV以下、さらに好ましくは2.8eV以上4.2eV以下とする。
の電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、低キャリア密
度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体のキャリア密度は、1×
1017個/cm3未満、1×1015個/cm3未満、または1×1013個/cm3
未満とする。酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃
度も低減することが好ましい。
ある。そのため、酸化物半導体と絶縁体402との間に、二次イオン質量分析法(SIM
S:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、1
×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、
さらに好ましくは2×1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有す
る。また、酸化物半導体と絶縁体412との間に、SIMSにおいて、1×1019at
oms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましく
は2×1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有する。
。酸化物半導体は、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、好ましく
は5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm
3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下の水素濃度となる領域を
有する。また、酸化物半導体中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場
合がある。酸化物半導体は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、
好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atom
s/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下の窒素濃度とな
る領域を有する。
プは、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向へ変動させる場合がある。したがって、
酸化物半導体の表面または内部における銅濃度は低いほど好ましい。例えば、酸化物半導
体は、銅濃度が1×1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/cm3
以下、または1×1018atoms/cm3以下となる領域を有すると好ましい。
好ましい。絶縁体402は、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、
好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atom
s/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下の水素濃度とな
る領域を有する。また、酸化物半導体の窒素濃度を低減するために、絶縁体402の窒素
濃度を低減すると好ましい。絶縁体402は、SIMSにおいて、5×1019atom
s/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×
1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以
下の窒素濃度となる領域を有する。
好ましい。絶縁体412は、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、
好ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atom
s/cm3以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm3以下の水素濃度とな
る領域を有する。また、酸化物半導体の窒素濃度を低減するために、絶縁体412の窒素
濃度を低減すると好ましい。絶縁体412は、SIMSにおいて、5×1019atom
s/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×
1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以
下の窒素濃度となる領域を有する。
したが、本発明の一態様に係る半導体装置はこれに限定されない。図12(A)に示すよ
うに、ゲート電極として機能させることができる導電体413が、下側にも配置されてい
てもよい。導電体413としては、導電体404についての記載を参照する。なお、導電
体413には、導電体404と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や
信号が供給されてもよい。例えば、導電体413に、一定の電位を供給して、トランジス
タのしきい値電圧を制御してもよい。図12(B)には、開口部を介して、導電体413
と導電体404とを接続させた場合の例を示す。なお、図11以外の場合であっても、同
様に、ゲート電極として機能させることができる導電体413を配置することが可能であ
る。
また、図13に示すトランジスタのように絶縁体412下に半導体407を配置しても構
わない。半導体407としては、半導体406として示した半導体を用いればよい。半導
体407としては、酸化ガリウムを用いることが好ましい。半導体407として、酸化ガ
リウムを用いるとソース電極またはドレイン電極とゲート電極との間に生じるリーク電流
を低減することができる。即ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。な
お、そのほかの構成については、図11に示したトランジスタについての記載を参照する
。
したが、本発明の一態様に係る半導体装置はこれに限定されない。図14(A)に示すよ
うに、ゲート電極として機能させることができる導電体413が、下側にも配置されてい
てもよい。導電体413としては、導電体404についての記載を参照する。なお、導電
体413には、導電体404と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や
信号が供給されてもよい。例えば、導電体413に、一定の電位を供給して、トランジス
タのしきい値電圧を制御してもよい。図14(B)には、開口部を介して、導電体413
と導電体404とを接続させた場合の例を示す。なお、図13以外の場合であっても、同
様に、ゲート電極として機能させることができる導電体413を配置することが可能であ
る。
図15(A)および図15(B)は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面
図である。図15(A)は上面図であり、図15(B)は、図15(A)に示す一点鎖線
B1−B2、および一点鎖線B3−B4に対応する断面図である。なお、図15(A)の
上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
縁体502と、絶縁体502の凸部上の半導体506と、半導体506上の絶縁体512
と、絶縁体512上面に接し、半導体506の上面および側面に面する導電体504と、
半導体506上および導電体504上にあり、半導体506に達する開口部を有する絶縁
体518と、該開口部を埋める導電体516aおよび導電体516bと、導電体516a
および導電体516bとそれぞれ接する導電体524aおよび導電体524bと、を有す
る。なお、絶縁体502が凸部を有さなくても構わない。なお、導電体504は、トラン
ジスタのゲート電極として機能する。また、導電体516aおよび導電体516bは、ト
ランジスタのソース電極およびドレイン電極として機能する。
04と重ならないよう配置される。したがって、導電体516aまたは導電体516bと
、導電体504と、の間に生じる寄生容量を低減することができる。そのため、図15に
示すトランジスタは、優れたスイッチング特性を実現することができる。
いることで、形状不良を起こしにくい構造である。したがって、該トランジスタを有する
半導体装置は、歩留り高く作製することができる。
、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀
、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いれば
よい。
402についての記載を参照する。また、半導体506は半導体406についての記載を
参照する。また、導電体516aおよび導電体516bは、導電体416aおよび導電体
416bについての記載を参照する。また、絶縁体512は絶縁体412についての記載
を参照する。また、導電体504は導電体404についての記載を参照する。また、絶縁
体518は絶縁体418についての記載を参照する。
たが、本発明の一態様に係る半導体装置はこれに限定されない。図16(A)に示すよう
に、ゲート電極として機能させることができる導電体513が、下側にも配置されていて
もよい。導電体513としては、導電体504についての記載を参照する。なお、導電体
513には、導電体504と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や信
号が供給されてもよい。例えば、導電体513に、一定の電位を供給して、トランジスタ
のしきい値電圧を制御してもよい。図16(B)には、開口部を介して、導電体513と
導電体504とを接続させた場合の例を示す。また、導電体513は、導電体524aお
よび導電体524bと重なるよう配置してもよい。その場合の例を、図16(B)に示す
。なお、図15以外の場合であっても、同様に、ゲート電極として機能させることができ
る導電体513を配置することが可能である。
また、図15に示すトランジスタにおいて、絶縁体512下に半導体を配置しても構わな
い。該半導体は半導体407についての記載を参照する。なお、そのほかの構成について
は、図15に示したトランジスタについての記載を参照する。
図17(A)および図17(B)は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面
図である。図17(A)は上面図であり、図17(B)は、図17(A)に示す一点鎖線
C1−C2、および一点鎖線C3−C4に対応する断面図である。なお、図17(A)の
上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
、導電体604上の絶縁体612と、絶縁体612上の半導体606と、半導体606上
面および側面と接する導電体616aおよび導電体616bと、半導体606上、導電体
616a上および導電体616b上の絶縁体618と、を有する。なお、基板600と導
電体604の間に絶縁体を有しても構わない。なお、導電体604は、トランジスタのゲ
ート電極として機能する。また、導電体616aおよび導電体616bは、トランジスタ
のソース電極およびドレイン電極として機能する。
い。該導電体は、トランジスタの第2のゲート電極として機能する。また、該第2のゲー
ト電極によってs−channel構造を形成していても構わない。
404についての記載を参照する。また、絶縁体612は絶縁体412についての記載を
参照する。また、半導体606は半導体406についての記載を参照する。また、導電体
616aおよび導電体616bは、導電体416aおよび導電体416bについての記載
を参照する。また、絶縁体618は絶縁体418についての記載を参照する。
してもよい。または、導電体616aおよび導電体616bと、半導体606との間に、
絶縁体を配置してもよい。その場合、導電体616a(導電体616b)と半導体606
とは、絶縁体中の開口部を介して接続される。これらの絶縁体は、絶縁体412について
の記載を参照すればよい。
たが、本発明の一態様に係る半導体装置はこれに限定されない。図18(A)に示すよう
に、ゲート電極として機能させることができる導電体613が、上側にも配置されていて
もよい。導電体613としては、導電体604についての記載を参照する。なお、導電体
613には、導電体604と同じ電位や同じ信号が供給されてもよいし、異なる電位や信
号が供給されてもよい。例えば、導電体613に、一定の電位を供給して、トランジスタ
のしきい値電圧を制御してもよい。図18(B)には、開口部を介して、導電体613と
導電体604とを接続させた場合の例を示す。なお、図17以外の場合であっても、同様
に、ゲート電極として機能させることができる導電体613を配置することが可能である
。
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置を例示する。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタを利用した回路の一例について説明する。
図19(A)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のト
ランジスタ2100を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMO
Sインバータの構成を示している。
また図19(B)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれ
ぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、い
わゆるCMOSアナログスイッチとして機能させることができる。
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保
持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図20
に示す。
半導体を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、ト
ランジスタ3300としては、上述したトランジスタを用いることができる。
00のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記憶内容
を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、またはリフレ
ッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置
となる。
接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続される
。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース、ドレインの一方と電気的
に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲートと電気的に接続されて
いる。そして、トランジスタ3200のゲート、およびトランジスタ3300のソース、
ドレインの他方は、容量素子3400の電極の一方と電気的に接続され、第5の配線30
05は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。
う特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
ンジスタ3300が導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を導通状態とする
。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート、および容
量素子3400の電極の一方と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トラン
ジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる
二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)
のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジス
タ3300が非導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を非導通状態とするこ
とにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。
って保持される。
えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線
3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ
3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲートにHighレベル電荷
が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ3200の
ゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lよ
り低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ3200を
「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがっ
て、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることによ
り、ノードFGに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードFG
にHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(>
Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「導通状態」となる。一方、ノードFG
にLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<V
th_L)となっても、トランジスタ3200は「非導通状態」のままである。このため
、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読み
出すことができる。
を読み出さなくてはならない。ほかのメモリセルの情報を読み出さないためには、ノード
FGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「非導通状態」となるような電位
、つまり、Vth_Hより低い電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ノー
ドFGに与えられた電荷によらずトランジスタ3200が「導通状態」となるような電位
、つまり、Vth_Lより高い電位を第5の配線3005に与えればよい。
示した半導体装置と異なる。この場合も図20(A)に示した半導体装置と同様の動作に
より情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
タ3300が導通状態になると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400
とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結
果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量
素子3400の電極の一方の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって
、異なる値をとる。
の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の
電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×
VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素
子3400の電極の一方の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると
、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V
1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=
(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
ができる。
ンジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体が適用されたトランジスタを
駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
を適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフ
レッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可
能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給が
ない場合(ただし、電位は固定されていることが好ましい)であっても、長期にわたって
記憶内容を保持することが可能である。
りにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注
入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といっ
た問題が全く生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモ
リで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体
装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが
行われるため、高速な動作が可能となる。
以下では、上述したトランジスタ、または記憶装置を含むRFタグについて、図21を用
いて説明する。
接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴
から、RFタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証
システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには高い信頼
性が要求される。
ロック図である。
いう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ8
04を有する。またRFタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路8
07、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。
なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタの半導体には、逆方向電流
を十分に抑制することが可能な、例えば、酸化物半導体を用いてもよい。これにより、逆
方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止でき
る。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。な
お、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁
結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式
の3つに大別される。RFタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
テナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路8
05は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流
、例えば、半波2倍圧整流し、後段の容量素子により、整流された信号を平滑化すること
で入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側に
は、リミッタ回路を有してもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内
部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御す
るための回路である。
回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよ
い。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路80
9のリセット信号を生成するための回路である。
るための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応
じて変調をおこなうための回路である。
入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを
有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行
うための回路である。
係る記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、RFタグに好
適である。さらに本発明の一態様に係る記憶装置は、データの書き込みに必要な電力(電
圧)が従来の不揮発性メモリに比べて低いため、データの読み出し時と書込み時の最大通
信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足
し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。
ため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデ
ータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにし
ておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷すること
で、作製したRFタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にの
み固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になること
がなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
以下では、本発明の一態様に係るRFタグの使用例について図22を用いて説明する。R
Fタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書
類(運転免許証や住民票等、図22(A)参照。)、包装用容器類(包装紙やボトル等、
図22(C)参照。)、記録媒体(DVDやビデオテープ等、図22(B)参照。)、乗
り物類(自転車等、図22(D)参照。)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類
、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表
示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、もしくは各物品
に取り付ける荷札(図22(E)および図22(F)参照。)等に設けて使用することが
できる。
品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれ
ば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFタグ
4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザ
イン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書
類等に本発明の一態様に係るRFタグ4000により、認証機能を付与することができ、
この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒
体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係る
RFタグ4000を取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図るこ
とができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFタグ4000を取り
付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
できる。
以下では、上述したトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むCPUにつ
いて説明する。
ある。
ic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラク
ションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ
1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1
198、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189を有し
ている。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1
199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、
図23に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその
用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図23に示すCPUまたは演算回路
を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するよ
うな構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、
例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。
デコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタ
ラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ
1195に入力される。
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、および
レジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号
CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記
各種回路に供給する。
1196のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができ
る。
指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ1196
が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子
によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択
されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容
量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行
われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮
断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と
、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有す
る。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ12
10と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、
インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートにはG
ND(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする
。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする
。
て構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)の
トランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端
子はトランジスタ1213のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2
の端子はトランジスタ1213のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ1203は
トランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の
端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213の導通状態または非導通状
態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソースとド
レインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソース
とドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力さ
れる制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、
トランジスタ1214の導通状態または非導通状態)が選択される。
ちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部
分をノードM2とする。トランジスタ1210のソースとドレインの一方は、低電源電位
を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ
1203の第1の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの一方)と電気的に接
続される。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの
他方)はスイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一
方)と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子(トランジスタ1214のソ
ースとドレインの他方)は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続さ
れる。スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方
)と、スイッチ1204の第1の端子(トランジスタ1214のソースとドレインの一方
)と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、
は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対
の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電
源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる
。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配
線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他
方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等
)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子120
8の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND
線)と電気的に接続される。
積極的に利用することによって省略することも可能である。
びスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2
の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2
の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態
となる。
に対応する信号が入力される。図24では、回路1201から出力された信号が、トラン
ジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の
第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号は、
論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介し
て回路1201に入力される。
レインの他方)から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回
路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子
(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)から出力される信号が、論理値を反
転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、
入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合
に、スイッチ1203の第2の端子(トランジスタ1213のソースとドレインの他方)
から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
タ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板119
0にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜または
シリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子
1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトラン
ジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外に
も、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトラ
ンジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成され
るトランジスタとすることもできる。
また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いる
ことができる。
、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208
によって保持することができる。
えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有する
シリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため
、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子120
0に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保
たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ
)を保持することが可能である。
作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が
元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開
された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(
導通状態、または非導通状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。そ
れ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信
号を正確に読み出すことが可能である。
記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐこ
とができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰
することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、また
は複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を
抑えることができる。
Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Pr
ogrammable Logic Device)等のLSI、RF(Radio F
requency)タグ(にも応用可能である。
以下では、本発明の一態様に係る表示装置の構成例について説明する。
図25(A)には、本発明の一態様に係る表示装置の上面図を示す。また、図25(B)
には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に液晶素子を用いた場合における画素回路を
示す。また、図25(C)には、本発明の一態様に係る表示装置の画素に有機EL素子を
用いた場合における画素回路を示す。
nチャネル型のトランジスタを用いる例を示す。なお、画素に用いたトランジスタと、同
一工程を経て作製したトランジスタを駆動回路として用いても構わない。このように、画
素や駆動回路に上述したトランジスタを用いることにより、表示品位が高い、または/お
よび信頼性の高い表示装置となる。
上には、画素部5001、第1の走査線駆動回路5002、第2の走査線駆動回路500
3、信号線駆動回路5004が配置される。画素部5001は、複数の信号線によって信
号線駆動回路5004と電気的に接続され、複数の走査線によって第1の走査線駆動回路
5002、および第2の走査線駆動回路5003と電気的に接続される。なお、走査線と
信号線とによって区切られる領域には、それぞれ表示素子を有する画素が配置されている
。また、表示装置の基板5000は、FPC(Flexible Printed Ci
rcuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともい
う)に電気的に接続されている。
004は、画素部5001と同じ基板5000上に形成される。そのため、駆動回路を別
途作製する場合と比べて、表示装置を作製するコストを低減することができる。また、駆
動回路を別途作製した場合、配線間の接続数が増える。したがって、同じ基板5000上
に駆動回路を設けることで、配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または
/および歩留まりの向上を図ることができる。
また、画素の回路構成の一例を図25(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示装置の画
素などに適用することができる画素回路を示す。
素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動でき
るように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極
に印加する信号を、独立して制御できる。
、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、信号線5014
は、トランジスタ5016とトランジスタ5017で共通に用いられている。トランジス
タ5016とトランジスタ5017は上述したトランジスタを適宜用いることができる。
これにより、表示品位が高い、または/および信頼性の高い液晶表示装置を提供すること
ができる。
017には、第2の画素電極が電気的に接続される。第1の画素電極と第2の画素電極と
は分離されている。なお、第1の画素電極及び第2の画素電極の形状としては、特に限定
は無い。例えば、第1の画素電極はV字状とすればよい。
5017のゲート電極は走査線5013と電気的に接続されている。走査線5012と走
査線5013に異なるゲート信号を与えてトランジスタ5016とトランジスタ5017
の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御することができる。
第2の画素電極と電気的に接続する容量電極とで容量素子を形成してもよい。
える。第1の液晶素子5018は第1の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成さ
れ、第2の液晶素子5019は第2の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され
る。
例えば、図25(B)に示す画素回路に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジ
スタ、センサ、または論理回路などを追加してもよい。
画素の回路構成の他の一例を図25(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示
装置の画素構造を示す。
極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、
電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が
励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズム
から、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
トランジスタを2つ用いる例を示す。なお、nチャネル型のトランジスタには、上述した
トランジスタを用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適
用することができる。
いて説明する。
発光素子5024および容量素子5023を有する。スイッチング用トランジスタ502
1は、ゲート電極が走査線5026に接続され、第1電極(ソース電極、ドレイン電極の
一方)が信号線5025に接続され、第2電極(ソース電極、ドレイン電極の他方)が駆
動用トランジスタ5022のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ5022
は、ゲート電極が容量素子5023を介して電源線5027に接続され、第1電極が電源
線5027に接続され、第2電極が発光素子5024の第1電極(画素電極)に接続され
ている。発光素子5024の第2電極は共通電極5028に相当する。共通電極5028
は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
ンジスタを用いることができる。これにより、表示品位の高い、または/および信頼性の
高い有機EL表示装置となる。
、低電源電位とは、電源線5027に供給される高電源電位より低い電位であり、例えば
GND、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子5024の順方向
のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素
子5024に印加することにより、発光素子5024に電流を流して発光させる。なお、
発光素子5024の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なく
とも順方向しきい値電圧を含む。
り省略できる場合がある。駆動用トランジスタ5022のゲート容量については、チャネ
ル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。
方式の場合、駆動用トランジスタ5022がオンまたはオフの二つの状態となるようなビ
デオ信号を、駆動用トランジスタ5022に入力する。なお、駆動用トランジスタ502
2を線形領域で動作させるために、電源線5027の電圧よりも高い電圧を駆動用トラン
ジスタ5022のゲート電極に与える。また、信号線5025には、電源線電圧に駆動用
トランジスタ5022のしきい値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。
24の順方向電圧に駆動用トランジスタ5022のしきい値電圧Vthを加えた値以上の
電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ5022が飽和領域で動作するようにビデオ信
号を入力し、発光素子5024に電流を流す。また、駆動用トランジスタ5022を飽和
領域で動作させるために、電源線5027の電位を、駆動用トランジスタ5022のゲー
ト電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子5024にビデオ信
号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
例えば、図25(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トラン
ジスタまたは論理回路などを追加してもよい。
第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構
成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電
極にはソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構
成とすればよい。
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用した表示モジュールについて、図26
を用いて説明を行う。
間に、FPC8003に接続されたタッチパネル8004、FPC8005に接続された
セル8006、バックライトユニット8007、フレーム8009、プリント基板801
0、バッテリー8011を有する。なお、バックライトユニット8007、バッテリー8
011、タッチパネル8004などを有さない場合もある。
06のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
に重畳して用いることができる。また、セル8006の対向基板(封止基板)に、タッチ
パネル機能を持たせるようにすることも可能である。または、セル8006の各画素内に
光センサを設け、光学式のタッチパネルとすることも可能である。
ユニット8007の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有してもよい。またフレー
ム8009は、放熱板としての機能を有していてもよい。
号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であって
もよいし、別途設けたバッテリー8011による電源であってもよい。商用電源を用いる
場合には、バッテリー8011を有さなくてもよい。
加して設けてもよい。
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ
、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプ
レイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオ
プレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ
払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図27に示
す。
904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908
等を有する。なお、図27(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示
部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない
。
13、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部913
は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられてい
る。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており
、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である
。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体9
12との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第1表示部913
および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表
示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッ
チパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、
フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加する
ことができる。
ーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。
3等を有する。
操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ
945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられて
いる。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されてお
り、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能であ
る。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体94
2との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
イト954等を有する。
、組み合わせ、または置き換えなどを行うことができる。
載される文章を用いて述べる内容のことである。
形態において述べる別の図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに
多くの図を構成させることができる。
た発明の一態様を構成することができる。またはある値について、上限値と下限値などで
示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、またはその範
囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる
。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規
定することができる。
記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないこと
を発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していない
ことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとってい
るような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる。
または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規定
して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接続
されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。ま
たは、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を有
していない、と発明を規定することが可能である。
とが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、電圧が、−2V以上1V
以下である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、
電圧が13V以上である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。なお
、例えば、電圧が5V以上8V以下であると発明を規定することも可能である。なお、例
えば、電圧が概略9Vであると発明を規定することも可能である。なお、例えば、電圧が
3V以上10V以下であるが、9Vである場合を除くと発明を規定することも可能である
。なお、ある値について、「ある範囲であることが好ましい」、「これらを満たすことが
好適である」などと記載されていたとしても、ある値は、それらの記載に限定されない。
つまり、「好ましい」、「好適である」などと記載されていたとしても、それらの記載に
は限定されない。
」と記載されているとする。その場合、例えば、電圧が−2V以上1V以下である場合を
除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、電圧が13V以上
である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。
いるとする。その場合、例えば、有機絶縁体である場合を除く、と発明の一態様を規定す
ることが可能である。または、例えば、無機絶縁体である場合を除く、と発明の一態様を
規定することが可能である。または、例えば、導電体である場合を除く、と発明の一態様
を規定することが可能である。または、例えば、半導体である場合を除く、と発明の一態
様を規定することが可能である。
られている」と記載されているとする。その場合、例えば、膜が4層以上の積層膜である
場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜とその膜との間
に、導電体が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能である。
容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された
内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細
書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数の
ケースを想定できる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。し
たがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子
など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明
の一態様を構成することが可能な場合がある。
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少な
くとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つ
まり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定され
た発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。し
たがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態
様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または
、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として
開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を
述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容
も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能
であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であるといえる。そのため、例えば
、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子な
ど)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方
法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して
、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(Nは整数)の回
路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個(Mは整数で
、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成
することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構成される断面
図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは
可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成されるフロー
チャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一態様を構成す
ることは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、または、Fを有
する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは、BとEとを
有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」、または、「
Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可能である。
とも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者で
あれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文
章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明
の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
そして、その発明の一態様は、明確であるといえる。
、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能で
ある。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていな
くても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構
成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様と
して開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、そ
の発明の一態様は明確であるといえる。
本発明の一態様に係るトランジスタの半導体の説明において、半導体の組成によってバン
ド図を制御できることを記載した。以下では、半導体の組成によってバンド図を制御でき
る一例として、インジウム、ガリウム、亜鉛から選択された二種以上を含む酸化物の組成
と、電子親和力(黒三角で表記。)、イオン化エネルギー(白丸で表記。)およびエネル
ギーギャップ(白四角で表記。)との関係を図28に示す。なお、図28では、出発原料
の原子数比を用いた。
ジウムの割合が高くなるほど、電子親和力が高くなることがわかった。また、インジウム
の割合が高くなるほど、イオン化エネルギーが低くなることがわかった。また、インジウ
ムの割合が高くなるほど、エネルギーギャップが低くなることがわかった。
ムの割合が高くなるほど、電子親和力が低くなることがわかった。また、ガリウムの割合
が高くなるほど、イオン化エネルギーが高くなることがわかった。また、ガリウムの割合
が高くなるほど、エネルギーギャップが高くなることがわかった。
と電子親和力との間には相関がほとんどないことがわかった。また、亜鉛の割合とイオン
化エネルギーとの間には相関がほとんどないことがわかった。また、亜鉛の割合とエネル
ギーギャップとの間には相関がほとんどないことがわかった。即ち、亜鉛の割合は、バン
ド図の制御への寄与が小さいことがわかる。
を制御できることがわかる。特に、ガリウムの割合によってバンド図を制御しやすいこと
がわかる。なお、ここではインジウム、ガリウム、亜鉛から選択された二種以上を含む酸
化物の例を示したが、バンド図を制御可能な組成はこれに限定されるものではない。
コン基板を配置し、ステージ温度を500℃に加熱した。そして、原料ガス、キャリアガ
スおよび反応ガスを供給することで成膜を行った。なお、原料ガスとしては、0.1Mの
トリメチルインジウム溶液、0.1Mのトリエチルガリウム溶液および0.1Mのジエチ
ル亜鉛溶液を、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]となるようマスフローコント
ローラにて流量を調整し、それぞれをヒータによって気化させたものを用いた。原料ガス
の溶媒にはエチルシクロヘキサンを用いた。また、キャリアガスとしては、0.3slm
のアルゴンガスを用いた。また、反応ガスとしては、2.0slmの酸素ガスを用いた。
このとき、シリコン基板表面で反応しなかったガスを排気するため、成膜室の圧力を53
3.3Paに制御した。
tively Coupled Plasma Mass Spectrometry)
およびX線光電子分光法(XPS:X−Ray Photoelectron Spec
troscopy)によって評価した。
[原子数比]であることがわかった。
。その結果、酸化物半導体は、図29に示す割合でインジウム、ガリウム、亜鉛および酸
素を有することがわかった。また、得られた酸化物半導体は、厚さ方向にほぼ均一な組成
を有することがわかった。なお、図29の横軸はアルゴンイオンによるスパッタ時間を示
しており、酸化物半導体の厚さと関連する。
によって評価した。その結果を図30に示す。
バックグラウンド濃度、炭素のバックグラウンド濃度、窒素のバックグラウンド濃度およ
びフッ素のバックグラウンド濃度を示す。
域、5×1018atoms/cm3未満となる領域、および3×1018atoms/
cm3(バックグラウンド濃度)未満となる領域を有することがわかった。
となる領域、および5×1019atoms/cm3未満となる領域を有することがわか
った。
となる領域、および5×1017atoms/cm3未満となる領域を有することがわか
った。
満となる領域、5×1016atoms/cm3未満となる領域、および3×1016a
toms/cm3(バックグラウンド濃度)未満となる領域を有することがわかった。
よる解析を行った。図31に、酸化物半導体のXRDスペクトルを示す。XRDスペクト
ルは、横軸が2θを示し、縦軸がXRD強度(Intensityと表記する。)を示す
。なお、図31では、比較のために、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]のター
ゲットを用いてスパッタリング法で成膜したCAAC−OSのXRDスペクトルも同時に
示す。
た。即ち、酸化物半導体は、CAAC−OSほど強いc軸配向性を有さないことがわかっ
た。また、CAAC−OSで観測されるピークは2θが30°近傍に現れるのに対し、酸
化物半導体で観測されるピークは2θが32°近傍に現れることがわかった。これは、酸
化物半導体とCAAC−OSとの組成に起因する可能性がある。例えば、酸化物半導体が
CAAC−OSよりも亜鉛の割合が高いため、格子面間隔が近づいたと考えられる。
9000NARを用い、加速電圧300kVで行った。
観察範囲が異なる。なお、図32は明視野像であり、図33、図34および図35は明視
野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)である。
することがわかった。また、図33、図34、図35より、像を拡大するに従い、暗領域
が結晶構造を有することがわかった。一方、明領域は非晶質構造またはnc−OS構造を
有することがわかった。なお、前述のとおり、非晶質構造とnc−OS構造とは、分析方
法によっては区別が付かない場合がある。本実施例では、ナノビーム電子線を用いた電子
回折パターンを解析することで両者の識別を試みた。電子回折パターンの解析結果につい
ては後述する。
域と、大きさが0.1nm以上1nm未満の結晶構造を有する領域と、を有することがわ
かる。
化物半導体の断面TEM像である。なお、図36は明視野像であり、図37、図38、図
39、図40、図41、図42、図43および図44は高分解能TEM像である。なお、
図37、図39および図42は、酸化物半導体表面近傍を示す。また、図40および図4
3は、酸化物半導体内部を示す。また、図38、図41および図44は、シリコン基板表
面近傍を示す。
外観を有することがわかった。また、図37、図38、図39、図40、図41、図42
、図43および図44より、像を拡大するに従い、暗領域が結晶構造を有することがわか
った。一方、明領域は非晶質構造またはnc−OS構造を有することがわかった。この結
果は、平面TEM像から得られる結果と同様であった。
半導体表面近傍のいずれの領域においても同程度の結晶性を有することがわかった。また
、断面TEM像からも、酸化物半導体が特に配向性を有さないことがわかった。
成されていることがわかった。
の結晶構造を有する領域と、大きさが0.1nm以上1nm未満の結晶構造を有する領域
と、を有することがわかる。
S構造を有する領域における電子回折パターンを測定した。電子回折パターンの測定は、
日立電界放出形透過電子顕微鏡HF−2000を用い、加速電圧を200kV、プローブ
径を1nm、カメラ長を0.8mとして行った。
45(A2)は、該測定箇所における電子回折パターンである。同様に、図45(B1)
は、電子回折の測定箇所を示す断面の高分解能TEM像である。また、図45(B2)は
、該測定箇所における電子回折パターンである。
領域として観察された箇所は、電子回折パターンからも原子配列に周期性を有することが
わかった。
46(A2)は、該測定箇所における電子回折パターンである。同様に、図46(B1)
は、電子回折の測定箇所を示す断面の高分解能TEM像である。また、図46(B2)は
、該測定箇所における電子回折パターンである。
nc−OS構造を有する領域として観察された箇所は、電子回折パターンからリング状の
領域内に複数のスポットが観測された。即ち、nc−OS構造を有することがわかった。
測定前後の断面の高分解能TEM像である。また、図47(B1)および図47(B2)
は、図46(A1)に示した領域の電子回折測定前後の断面の高分解能TEM像である。
な結晶性の変化が観察されていない。したがって、電子回折パターンから示唆される原子
配列の周期性の有無は、電子回折測定時における結晶化などの影響はほとんどないといえ
る。
B、点Cおよび点D)を示す図である。なお、点Oは透過波を示す。図48より、点Aの
格子面間隔(d値ともいう。)は0.252nm、点Bのd値は0.155nm、点Cの
d値は0.283nm、点Dのd値は0.230nmであった。また、∠AOBは31.
3°、∠AOCは63.8°、∠BOCは32.5°であった。これを、JCPDSカー
ドNo.40−0252(六方晶であるInGaZn2O5)と対比すると、(1 0
4)面(点A相当)のd値が0.254nm、(1 0 12)面(点B相当)のd値が
0.157nm、(0 0 8)面の(点C相当)d値が0.282nm、(0 0 1
0)面(点D相当)のd値が0.225nmである。また、∠AOBは29.8°、∠A
OCは63.1°、∠BOCは33.4°である。対比を下表に示す。
5に帰属できる。
ジにp型シリコン基板を配置し、ステージ温度を500℃に加熱した。そして、原料ガス
、キャリアガスおよび反応ガスを供給することで成膜を行った。なお、原料ガスとしては
、0.1Mのトリエチルガリウム溶液をヒータによって気化させたものを用いた。原料ガ
スの溶媒にはエチルシクロヘキサンを用いた。また、キャリアガスとしては、0.3sl
mのアルゴンガスを用いた。また、反応ガスとしては、0.5slmの酸素ガスを用いた
。このとき、p型シリコン基板表面で反応しなかったガスを排気するため、成膜室の圧力
を533.3Paに制御した。
ターゲットを用い、基板表面温度を200℃とし、成膜ガスである酸素ガスおよびアルゴ
ンガスをO2/(O2+Ar)が50%の割合とし、成膜室の圧力を0.4Paとし、R
F電力を0.2kWとすることで成膜を行った。
ッタリング法を用いて酸化ガリウムを成膜した試料と、の2種類の試料を作製した。
、厚さが30nmの窒化タンタル、厚さが170nmのタングステン、厚さが200nm
のアルミニウムをこの順に成膜することで形成した積層膜を用いた。
00μmの四角形状に加工した。
ニウムを成膜した。
極とゲート電極との間を流れる電流(Igと表記する。)を測定した。なお、ゲート電極
と裏面電極との電位差をVgと表記する。なお、Vgは、0Vから−40Vまで、0.1
Vステップで掃引させた。
なお、図49(A)は縦軸をログスケールで示しており、図49(B)は縦軸をリニアス
ケールで示している。Vg−Ig特性は、p型シリコン基板において24ポイントの測定
を行った。
す。なお、図50(A)は縦軸をログスケールで示しており、図50(B)は縦軸をリニ
アスケールで示している。Vg−Ig特性は、p型シリコン基板において5ポイントの測
定を行った。
においても均質であることがわかった。一方、図50より、スパッタリング法で成膜した
酸化ガリウムは、p型シリコン基板の5ポイントにおいても多少のばらつきを有すること
がわかった。ただし、スパッタリング法で成膜した酸化ガリウムは、比較的Igが小さい
ため、用途に応じて使い分けることが好ましいことがわかる。
102 絶縁体
104 導電体
106 半導体
106a 半導体
106b 半導体
106c 半導体
112 絶縁体
116a 導電体
116b 導電体
150a 領域
150b 領域
150c 領域
152a 領域
152b 領域
154 領域
400 基板
402 絶縁体
404 導電体
406 半導体
407 半導体
412 絶縁体
413 導電体
416a 導電体
416b 導電体
418 絶縁体
500 基板
502 絶縁体
504 導電体
506 半導体
512 絶縁体
513 導電体
516a 導電体
516b 導電体
518 絶縁体
524a 導電体
524b 導電体
600 基板
604 導電体
606 半導体
612 絶縁体
613 導電体
616a 導電体
616b 導電体
618 絶縁体
702 ロード室
703 前処理室
704 処理室
705 処理室
706 アンロード室
707 搬送ユニット
710 搬送室
718 排気装置
719 基板ホルダ
720 基板
721 部材
722 マスフローコントローラ
723 原料供給部
724 マスフローコントローラ
725 原料供給部
726 マスフローコントローラ
727 原料供給部
728 マスフローコントローラ
729 原料供給部
731 処理室
800 RFタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFタグ
5000 基板
5001 画素部
5002 走査線駆動回路
5003 走査線駆動回路
5004 信号線駆動回路
5010 容量線
5012 走査線
5013 走査線
5014 信号線
5016 トランジスタ
5017 トランジスタ
5018 液晶素子
5019 液晶素子
5020 画素
5021 スイッチング用トランジスタ
5022 駆動用トランジスタ
5023 容量素子
5024 発光素子
5025 信号線
5026 走査線
5027 電源線
5028 共通電極
8000 表示モジュール
8001 上部カバー
8002 下部カバー
8003 FPC
8004 タッチパネル
8005 FPC
8006 セル
8007 バックライトユニット
8008 光源
8009 フレーム
8010 プリント基板
8011 バッテリー
Claims (2)
- 酸化物半導体と、絶縁体と、導電体と、を有し、
前記酸化物半導体は、前記絶縁体を介して、前記酸化物半導体と前記導電体とが互いに重なる領域を有し、
前記酸化物半導体は、円相当径が1nm以上の結晶粒と、円相当径が1nm未満の結晶粒と、を有する半導体装置。 - 酸化物半導体と、第1の導電体と、第2の導電体と、絶縁体と、を有し、
前記酸化物半導体は、前記絶縁体を介して、前記酸化物半導体と前記第1の導電体とが互いに重なる領域を有し、
前記酸化物半導体は、前記第2の導電体と接する領域を有し、
前記酸化物半導体は、円相当径が1nm以上の結晶粒と、円相当径が1nm未満の結晶粒と、を有する半導体装置。
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