JP2020129701A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
。または、本発明は、例えば、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、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、
電子機器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、電子機器の駆動方法に関する。
一態様の技術分野は、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。
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。
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。
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1参照。)。ここでは、CAAC−OS(C−A
xis Aligned Crystalline Oxide Semiconduc
tor)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の低
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
。)。
した半導体装置を提供することを課題の一とする。または、電気特性のばらつきの小さい
半導体装置を提供することを課題の一とする。または、集積度の高い半導体装置を提供す
ることを課題の一とする。または、該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、該半導体装置、または該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。
を提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器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、第1の絶縁体と、第2の絶縁体と、第1の酸化物半導体と、第2の酸
化物半導体と、第1の導電体と、第2の導電体と、を有する半導体装置であって、第1の
酸化物半導体は、第1の絶縁体上に配置され、第2の酸化物半導体は、第1の酸化物半導
体上に配置され、第1の導電体は、第2の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第2
の絶縁体は、第2の酸化物半導体の上面と接する領域を有し、第2の導電体は、第2の絶
縁体を介して第2の酸化物半導体上に配置され、第2の酸化物半導体は、第1の層と、第
2の層と、を有し、第1の層は、第1の酸化物半導体と接する領域を有し、第2の層は、
第2の絶縁体と接する領域を有し、第1の層は、第2の層よりも酸素欠損の割合が低い半
導体装置である。
または、本発明の一態様は、(1)において、第2の酸化物半導体と、第2の絶縁体との
間に第3の酸化物半導体を有する半導体装置である。
または、本発明の一態様は、(1)または(2)において、第2の層は、第2の絶縁体と
接する第1の領域と、第1の導電体と接する第2の領域と、を有し、第1の領域の厚さは
、第2の領域の厚さよりも小さい半導体装置である。
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、第1の領域は、厚
さが1nm以上10nm以下であ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、第2の領域は、第
1の領域よりも抵抗率が低い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(5)のいずれか一において、第1の導電体と第
2の絶縁体との間に第3の絶縁体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(6)のいずれか一において、第2の酸化物半導
体は、インジウム、元素M(元素Mはアルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ
)と、亜鉛と、を有する酸化物である半導体装置である。
または、本発明の一態様は、(1)乃至(7)のいずれか一に記載の半導体装置と、プリ
ント基板と、を有するモジュールである。
または、本発明の一態様は、(1)乃至(7)のいずれか一に記載の半導体装置、または
(8)に記載のモジュールと、スピーカー、操作キー、または、バッテリーと、を有する
電子機器である。
体装置などに限定されない。例えば、シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリ
コンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウ
ムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
体装置を提供することができる。または、電気特性のばらつきの小さい半導体装置を提供
することができる。または、集積度の高い半導体装置を提供することができる。または、
該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、該半導体装置、また
は該モジュールを有する電子機器を提供することができる。
ることができる。または、新規な電子機器を提供することができる。
態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、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、これら以外の効果を抽出することが可能である。
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。
ることが可能である。
の側面の間が曲面になっている場合、二つの側面を一つの曲面として表記することも可能
である。
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、本明細書など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
体に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15
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。
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、「略平
行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。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。また、「略垂直」とは、二
つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタについて説明する。なお、以下で説明する
トランジスタの各構成については、異なる図面間を適宜組み合わせることができる。
図1は、本発明の一態様に係るトランジスタを説明する図である。図1(A)はトランジ
スタの上面図を示す。また、図1(B)は、図1(A)に示した一点鎖線A1−A2、お
よび一点鎖線A3−A4に対応するトランジスタの断面図を示す。また、図1(C)は、
図1(B)の一点鎖線E1−E2に対応する箇所におけるバンド図を示す。
導体406aと、半導体406a上の半導体406bと、半導体406b上の導電体41
6aと、半導体406b上の導電体416bと、導電体416a上の絶縁体410aと、
導電体416b上の絶縁体410bと、半導体406b上の半導体406cと、半導体4
06c上の絶縁体412と、絶縁体412上の導電体404と、を有する。なお、トラン
ジスタを覆って絶縁体408を配置してもよい。また、絶縁体402を有さなくてもよい
場合がある。また、絶縁体410aを有さなくてもよい場合がある。また、絶縁体410
bを有さなくてもよい場合がある。また、半導体406aを有さなくてもよい場合がある
。また、半導体406cを有さなくてもよい場合がある。
体416aおよび導電体416bは、トランジスタのソース電極またはドレイン電極とし
て機能する領域を有する。絶縁体412は、トランジスタのゲート絶縁体として機能する
領域を有する。導電体404は、トランジスタのゲート電極として機能する領域を有する
。絶縁体408は、トランジスタへの不純物の混入を防止する機能を有する。
い。即ち、絶縁体402の上面が凹凸を有してもよい。例えば、図1(B)に示すように
、絶縁体402の半導体406aと接する領域が凸部となり、残りの領域が凹部となって
いてもよい。
る領域と、導電体416bの側面と接する領域と、絶縁体410aの上面および側面と接
する領域と、絶縁体410bの上面および側面と接する領域と、を有する。
、導電体416aは、半導体406bの上面以外の面(側面など)と接する領域を有さな
い。また、導電体416bの下面の全体は、半導体406bの上面と接するように配置さ
れる。即ち、導電体416bは、半導体406bの上面以外の面(側面など)と接する領
域を有さない。したがって、導電体416aおよび導電体416bは、導電体404など
との間における寄生容量が小さい。また、導電体416aおよび導電体416bの種類に
よっては、半導体406bと接する領域において、半導体406bに含まれる酸素を脱離
させる場合がある。そのため、導電体416aおよび導電体416bとして、半導体40
6bに含まれる酸素を脱離させる作用の小さい導電体を用いると好ましい。例えば、導電
体416aおよび導電体416bとして、窒素を含む金属または金属窒化物などを用いれ
ばよい。
する。このとき、導電体404と導電体416aとの間に絶縁体410aなどを有するこ
と、および導電体404と導電体416bとの間に絶縁体410bなどを有することによ
り、さらに寄生容量を低減することができる。
ランジスタは、導電体404の電界によって、半導体406bを電気的に取り囲んだ構造
を有する。このように、導電体から生じる電界によって、半導体が電気的に取り囲まれた
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406b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、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる。また、s−chann
el構造では、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタの飽和領域
における電気特性を安定にすることができる。
ないことにより、導電体404の電界が導電体416aおよび導電体416bによって遮
られる影響が小さい。したがって、s−channel構造の恩恵をさらに享受しやすく
なる。
次に、半導体406a、半導体406b、半導体406cなどに適用可能な半導体につい
て説明する。
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、半導体
406b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。例えば、酸素との結合エ
ネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体
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、半導体406bは、
亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
6bは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜
鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであ
っても構わない。
bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8
eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。
元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体406bを構
成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体406aおよび半導体406
cが構成されるため、半導体406aと半導体406bとの界面、および半導体406b
と半導体406cとの界面において、界面準位が形成されにくい。
と好ましい。なお、半導体406aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を
100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50
atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75a
tomic%より高いとする。また、半導体406bがIn−M−Zn酸化物のとき、I
nおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic
%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%
より高く、Mが66atomic%未満とする。また、半導体406cがIn−M−Zn
酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが
50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが2
5atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、半導体406cは
、半導体406aと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体406aまたは/
および半導体406cがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体
406aまたは/および半導体406cが酸化ガリウムであっても構わない。
物を用いる。例えば、半導体406bとして、半導体406aおよび半導体406cより
も電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV
以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、
電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
。そのため、半導体406cがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原
子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さら
に好ましくは90%以上とする。
お、元素M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。なお、[In]はInの原子濃度を示し
、[M]は元素Mの原子濃度を示し、[Zn]はZnの原子濃度を示す。
(ZnO)m(mは自然数。)で示される。また、InとMとを置き換えることが可能で
あるため、In1+αM1−αO3(ZnO)mで示すこともできる。これは、[In]
:[M]:[Zn]=1+α:1−α:1、[In]:[M]:[Zn]=1+α:1−
α:2、[In]:[M]:[Zn]=1+α:1−α:3、[In]:[M]:[Zn
]=1+α:1−α:4、および[In]:[M]:[Zn]=1+α:1−α:5で表
される組成である。なお、この値は、例えば、原料となる酸化物を混合し、1350℃で
焼成した場合に固溶体となりうる組成である。
得ることができる。
間加熱などの影響で、ソースとなるターゲットなどの組成と膜の組成とが異なる場合があ
る。例えば、酸化亜鉛は、酸化インジウムや酸化ガリウムなどと比べて昇華しやすいため
、ソースと膜との組成のずれが生じやすい。したがって、あらかじめ組成の変化を考慮し
たソースを選択することが好ましい。なお、ソースと膜との組成のずれ量は、温度以外に
も圧力や成膜に用いるガスなどの影響でも変化する。
グ法で成膜した酸化物の組成について説明する。例えば、In:Ga:Zn=1:1:1
[原子数比]の酸化物ターゲットを用いて成膜すると、In−Ga−Zn酸化物の組成は
In:Ga:Zn=1:(0.8以上1.1以下):(0.5以上0.9以下)[原子数
比]となる。また、In:Ga:Zn=3:1:2[原子数比]の酸化物ターゲットを用
いて成膜すると、In−Ga−Zn酸化物の組成はIn:Ga:Zn=3:(0.8以上
1.1以下):(1.0以上1.8以下)[原子数比]となる。また、In:Ga:Zn
=4:2:4.1[原子数比]の酸化物ターゲットを用いて成膜すると、In−Ga−Z
n酸化物の組成はIn:Ga:Zn=4:(2.6以上3.2以下):(2.2以上3.
4以下)[原子数比]となる。
半導体は、加熱処理によって酸素を放出する機能を有す半導体である。したがって、半導
体406aは膜中を酸素が移動可能な半導体である。
る場合がある。半導体406b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406b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。
酸素欠損(VOとも表記する。)を低減する様子を示した断面図である。図2(A)に示
すように、半導体406aは過剰酸素を有する。また、半導体406bは酸素欠損を有す
る。
剰酸素の一部は、半導体406b中の酸素欠損まで到達すると、該酸素欠損は消失する。
このように、半導体406bは、半導体406a側から酸素欠損が低減していく。したが
って、半導体406bは、酸素欠損の割合の低い層406b1と酸素欠損の割合の高い層
406b2と、に分かれる(図2(B)参照。)。なお、半導体406bが、層406b
1と層406b2とに分かれることは、このようなメカニズムに限定されない。例えば、
半導体406bの上面側から何らかの処理を行うことによって、半導体406bの上面近
傍に酸素欠損を形成する場合も同様の層構造になる。
準位を形成することがある。即ち、層406b2は、層406b1よりもキャリア密度が
高い可能性がある。したがって、図1(B)の一点鎖線E1−E2に対応するバンド構造
は、図1(C)に示すようなバンド図となる。なお、図1(C)において、価電子帯上端
のエネルギーをEVと表記し、伝導帯下端のエネルギーをECと表記し、フェルミレベル
をEFと表記する。
のうち、電子親和力の大きい半導体406bの層406b2にチャネルが形成される。
的な位置が異なるのみである。また、その境界は明確でない可能性がある。したがって、
層406b1と層406b2との間で、価電子帯上端のエネルギーおよび伝導帯下端のエ
ネルギーは連続的に変化する。また、半導体406aと半導体406bとの間には、半導
体406aと半導体406bとの混合領域を有する場合がある。また、半導体406bと
半導体406cとの間には、半導体406bと半導体406cとの混合領域を有する場合
がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体406a、半導体40
6bおよび半導体406cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続
的に変化する(連続接合ともいう。)バンド図となる。
の層406b2中を主として移動する。上述したように、半導体406aおよび半導体4
06bの界面における界面準位密度、半導体406bと半導体406cとの界面における
界面準位密度を低くすることによって、半導体406b中で電子の移動が阻害されること
が少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
できる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定
される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害
される。
(被形成面、ここでは半導体406a)の、1μm×1μmの範囲における二乗平均平方
根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましくは0.6
nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよ
い。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1nm未満、
好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4n
m未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−Vともいう
。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、より好まし
くは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、エスアイアイ・ナノテ
クノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムSPA−500などを用いて測定す
ることができる。
好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下
の領域を有する半導体406cとすればよい。一方、半導体406cは、チャネルの形成
される半導体406bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンな
ど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体406cは、ある
程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、
さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する半導体406cとすればよい。また、
半導体406cは、絶縁体402などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、
酸素をブロックする性質を有すると好ましい。
好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm
以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する半導体406aとすればよい。
半導体406aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体406aとの界面か
らチャネルの形成される半導体406bまでの距離を離すことができる。ただし、半導体
装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下、好ましくは120n
m以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する半導体406aとすればよ
い。
IMS: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、半導体406bと半導体406cとの間に、SIMSにおいて、1×10
19atoms/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。
ましくは5×1019atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms
/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、半導体406bの水素濃度を低減するために、半導体406aおよ
び半導体406cの水素濃度を低減すると好ましい。半導体406aおよび半導体406
cは、SIMSにおいて、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×101
9atoms/cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/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
、半導体406b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1×1018atoms/c
m3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。また、半導体406bの窒素濃度を低減するために、半導体406aおよび半
導体406cの窒素濃度を低減すると好ましい。半導体406aおよび半導体406cは
、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018a
toms/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。
構造としても構わない。または、半導体406aの上もしくは下、または半導体406c
上もしくは下に、半導体406a、半導体406bおよび半導体406cとして例示した
半導体のいずれか一を有する4層構造としても構わない。または、半導体406aの上、
半導体406aの下、半導体406cの上、半導体406cの下のいずれか二箇所以上に
、半導体406a、半導体406bおよび半導体406cとして例示した半導体のいずれ
か一を有するn層構造(nは5以上の整数)としても構わない。
ことが好ましい。ただし、シリコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマ
ニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒
化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
る。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(C Axis Aligned
Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶酸化物半
導体、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semicondu
ctor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous li
ke Oxide Semiconductor)、非晶質酸化物半導体などがある。
導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−O
S、多結晶酸化物半導体、nc−OSなどがある。
て不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離
秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
ely amorphous)酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない
(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物
半導体と呼ぶことはできない。ただし、a−like OSは、微小な領域において周期
構造を有するものの、鬆(ボイドともいう。)を有し、不安定な構造である。そのため、
物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
まずは、CAAC−OSについて説明する。
導体の一つである。
scope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分
解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方
、高分解能TEM像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーとも
いう。)を明確に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。
試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高
分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration
Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、
特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像の取得は、例えば、日
本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって行うこ
とができる。
図21(B)より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる
。金属原子の各層の配列は、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ており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。
は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図21(B)および図21(C)
より、ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあり、ペレット
とペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは0.8nm程度であることがわかる。し
たがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる
。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocry
stals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ト5100の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造と
なる(図21(D)参照。)。図21(C)で観察されたペレットとペレットとの間で傾
きが生じている箇所は、図21(D)に示す領域5161に相当する。
補正高分解能TEM像を示す。図22(A)の領域(1)、領域(2)および領域(3)
を拡大したCs補正高分解能TEM像を、それぞれ図22(B)、図22(C)および図
22(D)に示す。図22(B)、図22(C)および図22(D)より、ペレットは、
金属原子が三角形状、四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、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
AC−OSについて説明する。例えば、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS
に対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図23(A)に示すよう
に回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZ
nO4の結晶の(009)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略垂直な方向を向いていることが確認できる。
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。より好ましいCAAC−OSは、out−of−plane法による構造解
析では、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。
e法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、In
GaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。CAAC−OSの場合は、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)を行っても、図23(B)に示すように明瞭なピークは現れない。これに対
し、InGaZnO4の単結晶酸化物半導体であれば、2θを56°近傍に固定してφス
キャンした場合、図23(C)に示すように(110)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。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、
a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。
nO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、試料面に平行にプローブ径が300nmの
電子線を入射させると、図24(A)に示すような回折パターン(制限視野透過電子回折
パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnO4の
結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、
CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略
垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ
径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図24(B)に示す。図24
(B)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、
CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。
なお、図24(B)における第1リングは、InGaZnO4の結晶の(010)面およ
び(100)面などに起因すると考えられる。また、図24(B)における第2リングは
(110)面などに起因すると考えられる。
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、逆の見方をする
とCAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。
元素などがある。例えば、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、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
ア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとな
る場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
る。具体的には、8×1011個/cm3未満、好ましくは1×1011個/cm3未満
、さらに好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上の
キャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真
性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低
く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
次に、nc−OSについて説明する。
な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、
1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお
、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化
物半導体と呼ぶことがある。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。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと
起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼
ぶ場合がある。
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、異なるペレ
ット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。例えば、nc−OSに対し、ペレットよりも大きい径のX
線を用いた場合、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークは検
出されない。また、nc−OSに対し、ペレットよりも大きいプローブ径(例えば50n
m以上)の電子線を用いる電子回折を行うと、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、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプロ
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、n
c−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。さらに、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。
OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有す
る酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals
)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
nc−OSは、a−like OSや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、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。
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酸化物半
導体である。
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。
OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。
試料Bと表記する。)およびCAAC−OS(試料Cと表記する。)を準備する。いずれ
の試料もIn−Ga−Zn酸化物である。
は、いずれも結晶部を有することがわかる。
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ことが知られている。これ
らの近接する層同士の間隔は、(009)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。したがって、格子縞の
間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnO4の結晶部と見
なすことができる。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応する。
。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図25より、a−lik
e 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、図25中に(1)で示すように、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(初期核ともいう。)が、累積照射量が4.2×108e−/nm
2においては2.6nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OS
およびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108e−/
nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図
25中の(2)および(3)で示すように、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよ
びCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.4nm程度および2.1nm程度で
あることがわかる。
る。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られないことがわかる。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−O
Sと比べて、不安定な構造であることがわかる。
て密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の78.6%以上92.3%未満となる。また、nc−OSの密度およびCAAC
−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満となる。単結晶
の密度の78%未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3となる。よっ
て、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、a−like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満となる。また
、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、
nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3
未満となる。
単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もる
ことができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせ
る割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない
種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、
CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
以下では本発明の一態様に係るトランジスタのそのほかの構成要素について説明する。
。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400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400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400が
伸縮性を有してもよい。また、基板400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4
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400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400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400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400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400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
400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402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。
た、半導体406bが酸化物半導体である場合、絶縁体402は、半導体406bに酸素
を供給する役割を担うことができる。
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402は膜中を酸素が移動可能な
絶縁体である。即ち、絶縁体402は酸素透過性を有する絶縁体とすればよい。例えば、
絶縁体402は、半導体406bよりも酸素透過性の高い絶縁体とすればよい。
ある。半導体406b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406b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。
0℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で1×1018atoms/
cm3以上、1×1019atoms/cm3以上または1×1020atoms/cm
3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の質量電荷比は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、電子スピン共鳴にて、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。
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。
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412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。
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。
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。絶縁体408は、好ましくは酸化アルミニウム、窒化酸
化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、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含む絶縁体を、単層で、
または積層で用いればよい。
図1に示したトランジスタは、様々に変形することが可能である。
0aおよび絶縁体410bを有さない点、ならびに半導体406aの側面の一部、および
半導体406bの上面の一部、および側面の一部に領域409aおよび領域409bを有
する点が異なる。なお、領域409aおよび領域409bは、チャネル形成領域には配置
されない。領域409aおよび領域409bは、例えば、導電体416aまたは/および
導電体416bよりも抵抗率が高く、半導体406bのほかの領域よりも抵抗率が低い領
域である。また、領域409aおよび領域409bは、導電体416aおよび導電体41
6bと、半導体406bと、の接触抵抗を低減する機能を有する。その結果、トランジス
タの飽和領域における電気特性を安定にすることができる場合がある。また、トランジス
タのオン電流を大きくすることができる場合がある。領域409aおよび領域409bは
、例えば、半導体406aおよび半導体406bの一部に水素、ホウ素、窒素、リンまた
はアルゴンなどから選ばれた一種以上の元素を添加することで形成することができる。特
に、3価または5価の元素を添加することが好ましい。元素の添加は、例えば、プラズマ
処理またはイオン注入処理によって行えばよい。
体410aおよび絶縁体410bを有さない点、ならびに半導体406bの下に絶縁体4
02を介して導電体413を有する点が異なる。導電体413は、トランジスタのチャネ
ル形成領域と重なるように配置され、第2のゲート電極としての機能を有する。または、
トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有する。トランジスタのしきい値電圧を制
御するためには、例えば、導電体413に一定の電位を印加すればよい。例えば、導電体
413にトランジスタのソース電極よりも高い電位を印加すれば、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。また、例えば、導電体413にトランジスタのソース電極
よりも低い電位を印加すれば、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。した
がって、導電体413に任意の電位を印加することができれば、トランジスタのオン電流
を高くし、かつトランジスタのオフ電流を低くすることができる。導電体413は、例え
ば、導電体404についての記載を参照すればよい。
体410aおよび絶縁体410bを有さない点、半導体406bの下に絶縁体402を介
して導電体413を有する点,ならびに半導体406cが導電体416a、導電体416
b、半導体406aおよび半導体406bを覆う点が異なる。また、図3(C)に示すト
ランジスタは、図3(B)に示したトランジスタとは、導電体404と導電体413とが
電気的な接続を有する点が異なる。図3(C)に示すトランジスタは、導電体413によ
ってもトランジスタのチャネル形成領域が取り囲まれた構造を有する。したがって、さら
にs−channel構造の恩恵を享受できる構造である。また、半導体406cが導電
体416a、導電体416b、半導体406aおよび半導体406bを覆うことにより、
導電体416aと、導電体416bと、導電体404と、の間で生じるリーク電流を低減
できる場合がある。
図4は、本発明の一態様に係るトランジスタを説明する図である。図4(A)はトランジ
スタの上面図を示す。また、図4(B)は、図4(A)に示した一点鎖線B1−B2、お
よび一点鎖線B3−B4に対応するトランジスタの断面図を示す。
導体406aと、半導体406a上の半導体406bと、半導体406b上の導電体41
6aと、半導体406b上の導電体416bと、導電体416a上の絶縁体410aと、
導電体416b上の絶縁体410bと、半導体406b上の半導体406cと、半導体4
06c上の絶縁体412と、絶縁体412上の導電体404と、を有する。なお、トラン
ジスタを覆って絶縁体408を配置してもよい。また、絶縁体402を有さなくてもよい
場合がある。また、絶縁体410aを有さなくてもよい場合がある。また、絶縁体410
bを有さなくてもよい場合がある。また、半導体406aを有さなくてもよい場合がある
。また、半導体406cを有さなくてもよい場合がある。
側面と接するように配置される。即ち、導電体416aは、半導体406bの上面以外の
面(側面など)と接する領域を有する。また、導電体416bの下面は、半導体406a
の側面、ならびに半導体406bの上面および側面と接するように配置される。即ち、導
電体416bは、半導体406bの上面以外の面(側面など)と接する領域を有する。し
たがって、導電体416aおよび導電体416bは、半導体406bとの間における接触
抵抗が小さい。即ち、オン電流の大きいトランジスタである。
図4に示したトランジスタは、様々に変形することが可能である。
0aおよび絶縁体410bを有さない点、ならびに半導体406aの側面の一部、および
半導体406bの上面の一部、および側面の一部に領域409aおよび領域409bを有
する点が異なる。なお、領域409aおよび領域409bは、チャネル形成領域には配置
されない。領域409aおよび領域409bは、例えば、導電体416aまたは/および
導電体416bよりも抵抗率が高く、半導体406bのほかの領域よりも抵抗率が低い領
域である。また、領域409aおよび領域409bは、導電体416aおよび導電体41
6bと、半導体406bと、の接触抵抗を低減する機能を有する。その結果、トランジス
タの飽和領域における電気特性を安定にすることができる場合がある。また、トランジス
タのオン電流を大きくすることができる場合がある。領域409aおよび領域409bは
、例えば、半導体406aおよび半導体406bの一部に水素、ホウ素、窒素、リンまた
はアルゴンなどから選ばれた一種以上の元素を添加することで形成することができる。特
に、3価または5価の元素を添加することが好ましい。元素の添加は、例えば、プラズマ
処理またはイオン注入処理によって行えばよい。
体410aおよび絶縁体410bを有さない点、ならびに半導体406bの下に絶縁体4
02を介して導電体413を有する点が異なる。導電体413は、トランジスタのチャネ
ル形成領域と重なるように配置され、第2のゲート電極としての機能を有する。または、
トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有する。トランジスタのしきい値電圧を制
御するためには、例えば、導電体413に一定の電位を印加すればよい。例えば、導電体
413にトランジスタのソース電極よりも高い電位を印加すれば、トランジスタのオン電
流を大きくすることができる。また、例えば、導電体413にトランジスタのソース電極
よりも低い電位を印加すれば、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。した
がって、導電体413に任意の電位を印加することができれば、トランジスタのオン電流
を高くし、かつトランジスタのオフ電流を低くすることができる。導電体413は、例え
ば、導電体404についての記載を参照すればよい。
体410aおよび絶縁体410bを有さない点、半導体406bの下に絶縁体402を介
して導電体413を有する点,ならびに半導体406cが導電体416a、導電体416
b、半導体406aおよび半導体406bを覆う点が異なる。また、図5(C)に示すト
ランジスタは、図5(B)に示したトランジスタとは、導電体404と導電体413とが
電気的な接続を有する点が異なる。図5(C)に示すトランジスタは、導電体413によ
ってもトランジスタのチャネル形成領域が取り囲まれた構造を有する。したがって、さら
にs−channel構造の恩恵を享受できる構造である。また、半導体406cが導電
体416a、導電体416b、半導体406aおよび半導体406bを覆うことにより、
導電体416aと、導電体416bと、導電体404と、の間で生じるリーク電流を低減
できる場合がある。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法について説明する。
一例を説明する。まず、感光性を有する有機物または無機物の層を、スピンコート法など
を用いて形成する。次に、フォトマスクを用いて、感光性を有する有機物または無機物の
層に光を照射する。当該光としては、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光
、EUV(Extreme Ultraviolet)光などを用いればよい。また、基
板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい
。また、感光性を有する有機物または無機物の層に照射する光に代えて、電子ビームやイ
オンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、フォト
マスクは不要となる。次に、現像液を用いて、感光性を有する有機物または無機物の層の
露光された領域を、除去または残存させてレジストを形成する。
層(BARC:Bottom Anti Reflective Coating)を形
成する場合も含まれる。BARCを用いる場合、まずレジストによってBARCをエッチ
ングする。次に、レジストおよびBARCを用いて、加工したい対象をエッチングする。
ただし、BARCに代えて、反射防止層の機能を有さない有機物または無機物を用いても
構わない場合がある。
ウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理としては、プラズマアッシングが好適
である。レジストなどの除去が不十分な場合、0.001volume%以上1volu
me%以下の濃度のフッ化水素酸または/およびオゾン水などによって取り残したレジス
トなどを除去しても構わない。
学気相成長(CVD:Chemical Vapor 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 Laser Deposition)法、原子
層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法、熱酸化法また
はプラズマ酸化法などを用いて行うことができる。
nhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CV
D)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)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:Metal CVD)法、有機金属CVD(
MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。
マを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法で
ある。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)
などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、
蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合が
ある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じ
ないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜
中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
ある。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が
得られる。
異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって
、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に
、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の
高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速
度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが
好ましい場合もある。
とができる。例えば、CVD法およびALD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、CVD法およびALD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、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
する。
なる半導体436aを成膜する。
体436aを成膜した後で、酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処
理としては、プラズマ処理またはイオン注入処理などがある。
化窒素などの酸化性ガスを用いてプラズマを生成し、半導体436aを該プラズマに曝す
ことで行えばよい。または、半導体436a上に導電体を成膜し、該導電体を介して半導
体436aを上述したプラズマに曝すことで行えばよい。プラズマ処理を行う際、基板4
00側に酸素が引き寄せられるようバイアス電圧を印加することが好ましい。バイアス電
圧によって、半導体436a中により多くの酸素を添加することができる。バイアス電圧
は、セルフバイアス電圧であっても構わない。また、プラズマ処理を行う際には、基板4
00を加熱した状態で行うことが好ましい。基板400を加熱することによって、半導体
436a中により多くの酸素を添加することができる。なお、導電体としては、例えば、
金属、透明導電体などを用いればよい。特に、窒化チタン、窒化タンタル、In−Sn酸
化物、In−Sn−Si酸化物、In−M−Zn酸化物を用いることが好ましい。特に、
酸化物を用いることで、酸化性ガスと化学的な反応が起こりにくいため、より多くの酸素
を添加することができる。
導体436b中に移動する。そのため、図2などで示したメカニズムにより、半導体43
6bが層436b1と層436b2とに分かれる(図6(B)参照。)。なお、層436
b1は、後の工程により層406b1となる。また、層436b2は、後の工程により層
406b2となる。
体410aおよび絶縁体410bとなる絶縁体440を成膜する(図6(C)参照。)。
グすることで絶縁体410を形成する。また、該レジストおよび絶縁体410をマスクと
して、導電体446をエッチングすることで導電体416を形成する。また、該レジスト
、絶縁体410および導電体416をマスクとして、半導体436bをエッチングするこ
とで半導体406bを形成する。なお、半導体406bが形成される際に、層436b1
は層406b1となり、層436b2は層406b2となる。また、該レジスト、絶縁体
410、導電体416および半導体406bをマスクとして、半導体436aをエッチン
グすることで半導体406aを形成する。次に、レジストを除去する(図7(A)参照。
)。
グすることで絶縁体410aおよび絶縁体410bを形成する。また、該レジスト、絶縁
体410aおよび絶縁体410bをマスクとして、導電体416をエッチングすることで
導電体416aおよび導電体416bを形成する。また、該レジスト、絶縁体410a、
絶縁体410b、導電体416aおよび導電体416bをマスクとして、半導体406b
の一部をエッチングすることで半導体406bを薄くする。このとき、チャネル形成領域
における層406b2の厚さが1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上5nm以
下となるようにエッチングする。層406b2は、トランジスタのチャネル形成領域とし
て機能する領域を有するため、層406b2が上述の厚さとなることで、トランジスタの
ゲート電極から生じる電界による制御性が高まる。次に、レジストを除去する(図7(B
)参照。)なお、チャネル形成領域における層406b2を完全にエッチングしてしまっ
ても構わない。その場合、作製するトランジスタは、図20(A)に示す断面形状となる
。また、図20(A)の一点鎖線E1−E2に対応するバンド図は、図20(B)のよう
になる。チャネル形成領域において層406b2を有さないため、トランジスタのしきい
値電圧が正の値をとりやすくなる。
する。次に、導電体404となる導電体を成膜する。次に、導電体404となる導電体上
にレジストを形成する。次に、該レジストをマスクとして、導電体404となる導電体を
エッチングすることで導電体404を形成する。また、該レジストおよび導電体404を
マスクとして、絶縁体412となる絶縁体をエッチングすることで絶縁体412を形成す
る。また、該レジスト、導電体404および絶縁体412をマスクとして、半導体406
cとなる半導体をエッチングすることで半導体406cを形成する。次に、レジストを除
去する。次に、絶縁体408を成膜することでトランジスタを作製することができる(図
7(C)参照。)。なお、導電体404となる導電体と、レジストとの間にハードマスク
を形成しても構わない。ハードマスクとしては、例えば、タングステン、チタン、タンタ
ル、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化チタン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、
窒化シリコン、窒化酸化シリコンまたは酸化アルミニウムなどを、単層または積層構造で
用いればよい。
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8(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CMOS
インバータの構成を示している。
図9は、図8(A)に対応する半導体装置の断面図である。図9に示す半導体装置は、ト
ランジスタ2200と、トランジスタ2100と、を有する。また、トランジスタ210
0は、トランジスタ2200の上方に配置する。なお、トランジスタ2100として、図
1に示したトランジスタを用いた例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は
、これに限定されるものではない。例えば、図3、図4または図5に示したトランジスタ
などを、トランジスタ2100として用いても構わない。よって、トランジスタ2100
については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。
ランジスタ2200は、半導体基板450中の領域472aと、半導体基板450中の領
域472bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。
ドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体462は、ゲート絶縁体としての機能
を有する。また、導電体454は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電
体454に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即
ち、導電体454に印加する電位によって、領域472aと領域472bとの間の導通・
非導通を制御することができる。
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を用いればよい。好ましくは、半導体基板4
50として単結晶シリコン基板を用いる。
し、半導体基板450として、p型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用い
ても構わない。その場合、トランジスタ2200となる領域には、n型の導電型を付与す
る不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板450がi型であっても
構わない。
ランジスタ2200のオン特性を向上させることができる。
。このようにして、トランジスタ2200はpチャネル型トランジスタを構成する。
れる。領域460は、絶縁性を有する領域である。
80aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと、導電体478bと
、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体474aと、導電体
474bと、導電体474cと、導電体496aと、導電体496bと、導電体496c
と、導電体496dと、導電体498aと、導電体498bと、導電体498cと、絶縁
体490と、絶縁体492と、絶縁体494と、を有する。
64上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体4
90は、絶縁体468上に配置する。また、トランジスタ2100は、絶縁体490上に
配置する。また、絶縁体492は、トランジスタ2100上に配置する。また、絶縁体4
94は、絶縁体492上に配置する。
体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、導
電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。
部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体476aまたは導電体476bが埋
め込まれている。
電体476aに達する開口部と、導電体476bに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体474a、導電体474bまたは導電体474cが埋め込まれ
ている。
。または、例えば、導電体474aに一定の電位を印加することで、トランジスタ210
0のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体474
aとトランジスタ2100のゲート電極としての機能を有する導電体404とを電気的に
接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ2100のオン電流を大きくするこ
とができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ210
0の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
ある導電体416bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ2100
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体416aに達する開口部と、トラン
ジスタ2100のゲート電極である導電体404に達する開口部と、導電体474cに達
する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体496a、導電体496b
、導電体496cまたは導電体496dが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部
は、さらにトランジスタ2100などの構成要素のいずれかを介する場合がある。
496dに達する開口部と、導電体496cに達する開口部と、を有する。また、開口部
には、それぞれ導電体498a、導電体498bまたは導電体498cが埋め込まれてい
る。
494としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニ
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401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。
494の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ2100の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ2100の電気特
性を安定にすることができる。
素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、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。
導電体478c、導電体476a、導電体476b、導電体474a、導電体474b、
導電体474c、導電体496a、導電体496b、導電体496c、導電体496d、
導電体498a、導電体498bおよび導電体498cとしては、例えば、ホウ素、窒素
、酸素、フッ素、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。
造が異なるのみである。よって、図10に示す半導体装置については、図9に示した半導
体装置の記載を参酌する。具体的には、図10に示す半導体装置は、トランジスタ220
0がFin型である場合を示している。トランジスタ2200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2200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2200のオフ特性を向上させることができる。
造が異なるのみである。よって、図11に示す半導体装置については、図9に示した半導
体装置の記載を参酌する。具体的には、図11に示す半導体装置は、トランジスタ220
0がSOI基板に設けられた場合を示している。図11には、絶縁体452によって領域
456が半導体基板450と分離されている構造を示す。SOI基板を用いることによっ
て、パンチスルー現象などを抑制することができるためトランジスタ2200のオフ特性
を向上させることができる。なお、絶縁体452は、半導体基板450の一部を絶縁体化
させることによって形成することができる。例えば、絶縁体452としては、酸化シリコ
ンを用いることができる。
作製し、その上方にnチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮小す
ることができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、nチャネル
型トランジスタと、pチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した場
合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすることが
できる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、pチャネル型トラ
ンジスタは、LDD(Lightly Doped Drain)領域、シャロートレン
チ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、nチャネル型ト
ランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高く
することができる場合がある。
また図8(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12
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は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジス
タ3300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)。
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。
図13は、図12(A)に対応する半導体装置の断面図である。図13に示す半導体装置
は、トランジスタ3200と、トランジスタ3300と、容量素子3400と、を有する
。また、トランジスタ3300および容量素子3400は、トランジスタ3200の上方
に配置する。なお、トランジスタ3300としては、上述したトランジスタ2100につ
いての記載を参照する。また、トランジスタ3200としては、図9に示したトランジス
タ2200についての記載を参照する。なお、図9では、トランジスタ2200がpチャ
ネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ3200がnチャネル
型トランジスタであっても構わない。
トランジスタ3200は、半導体基板450中の領域472aと、半導体基板450中の
領域472bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。
480aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと、導電体478b
と、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体474aと、導電
体474bと、導電体474cと、導電体496aと、導電体496bと、導電体496
cと、導電体496dと、導電体498aと、導電体498bと、導電体498cと、導
電体498dと、絶縁体490と、絶縁体492と、絶縁体494と、を有する。
64上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体4
90は、絶縁体468上に配置する。また、トランジスタ3300は、絶縁体490上に
配置する。また、絶縁体492は、トランジスタ3300上に配置する。また、絶縁体4
94は、絶縁体492上に配置する。
体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、導
電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。
部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体476aまたは導電体476bが埋
め込まれている。
電体476aに達する開口部と、導電体476bに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体474a、導電体474bまたは導電体474cが埋め込まれ
ている。
わない。または、例えば、導電体474aに一定の電位を印加することで、トランジスタ
3300のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体
474aとトランジスタ3300のトップゲート電極である導電体404とを電気的に接
続しても構わない。こうすることで、トランジスタ3300のオン電流を大きくすること
ができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ3300
の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
ある導電体416bを通って、導電体474bに達する開口部と、トランジスタ3300
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体416aと絶縁体412を介して重
なる導電体414に達する開口部と、トランジスタ3300のゲート電極である導電体4
04に達する開口部と、トランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方で
ある導電体416aを通って、導電体474cに達する開口部と、を有する。また、開口
部には、それぞれ導電体496a、導電体496b、導電体496cまたは導電体496
dが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ3300など
の構成要素のいずれかを介する場合がある。
部と、導電体496cに達する開口部と、導電体496dに達する開口部と、を有する。
また、開口部には、それぞれ導電体498a、導電体498b、導電体498cまたは導
電体498dが埋め込まれている。
494の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ3300の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ3300の電気特
性を安定にすることができる。
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。
、導電体476aと、導電体474bと、導電体496cと、を介してトランジスタ33
00のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体416bと電気的に接続する。
また、トランジスタ3200のゲート電極である導電体454は、導電体480cと、導
電体478cと、導電体476bと、導電体474cと、導電体496dと、を介してト
ランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体416aと電気
的に接続する。
気的に接続する電極と、導電体414と、絶縁体412と、を有する。なお、絶縁体41
2は、トランジスタ3300のゲート絶縁体と同一工程を経て形成できるため、生産性を
高めることができて好ましい場合がある。また、導電体414として、トランジスタ33
00のゲート電極と同一工程を経て形成した層を用いると、生産性を高めることができて
好ましい場合がある。
構造が異なるのみである。よって、図14に示す半導体装置については、図13に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図14に示す半導体装置は、トランジスタ3
200がFin型である場合を示している。Fin型であるトランジスタ3200につい
ては、図10に示したトランジスタ2200の記載を参照する。なお、図10では、トラ
ンジスタ2200がpチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジ
スタ3200がnチャネル型トランジスタであっても構わない。
構造が異なるのみである。よって、図15に示す半導体装置については、図13に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図15に示す半導体装置は、トランジスタ3
200がSOI基板である半導体基板450に設けられた場合を示している。SOI基板
である半導体基板450に設けられたトランジスタ3200については、図11に示した
トランジスタ2200の記載を参照する。なお、図11では、トランジスタ2200がp
チャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ3200がnチャ
ネル型トランジスタであっても構わない。
図12(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を有さない点で図12(A)に
示した半導体装置と異なる。この場合も図12(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。
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16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16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、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成す
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17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−ID(Radi
o Frequency Identification)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18(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18(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18(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18(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、データ線として
機能する信号線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18(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、センサー、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18(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18(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、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。
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19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19(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、
フォトセンサー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。
954等を有する。
401 絶縁体
402 絶縁体
404 導電体
406a 半導体
406b 半導体
406b1 層
406b2 層
406c 半導体
408 絶縁体
409a 領域
409b 領域
410 絶縁体
410a 絶縁体
410b 絶縁体
412 絶縁体
413 導電体
414 導電体
416 導電体
416a 導電体
416b 導電体
436a 半導体
436b 半導体
436b1 層
436b2 層
440 絶縁体
446 導電体
450 半導体基板
452 絶縁体
454 導電体
456 領域
460 領域
462 絶縁体
464 絶縁体
466 絶縁体
468 絶縁体
472a 領域
472b 領域
474a 導電体
474b 導電体
474c 導電体
476a 導電体
476b 導電体
478a 導電体
478b 導電体
478c 導電体
480a 導電体
480b 導電体
480c 導電体
490 絶縁体
492 絶縁体
494 絶縁体
496a 導電体
496b 導電体
496c 導電体
496d 導電体
498a 導電体
498b 導電体
498c 導電体
498d 導電体
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
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
5100 ペレット
5120 基板
5161 領域
Claims (5)
- 基板上の第1の酸化物半導体と、
前記第1の酸化物半導体上の第2の酸化物半導体と、
前記第2の酸化物半導体上の第1の導電体及び第2の導電体と、
前記第1の導電体上、前記第2の導電体上、及び前記第2の酸化物半導体上の第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体を介して、前記第2の酸化物半導体と重なる領域を有する第3の導電体と、を有し、
前記第1の導電体の下面全体は、前記第2の酸化物半導体の上面と接し、
前記第2の導電体の下面全体は、前記第2の酸化物半導体の上面と接し、
チャネル幅方向において、前記第3の導電体は、前記第2の酸化物半導体の側面と面する領域を有する半導体装置。 - 基板上の第1の酸化物半導体と、
前記第1の酸化物半導体上の第2の酸化物半導体と、
前記第2の酸化物半導体上の第1の導電体及び第2の導電体と、
前記第1の導電体上、前記第2の導電体上、及び前記第2の酸化物半導体上の第1の絶縁体と、
前記第1の絶縁体を介して、前記第2の酸化物半導体と重なる領域を有する第3の導電体と、
前記第3の導電体上の第2の絶縁体と、を有し、
前記第1の導電体の下面全体は、前記第2の酸化物半導体の上面と接し、
前記第2の導電体の下面全体は、前記第2の酸化物半導体の上面と接し、
チャネル長方向において、前記第2の絶縁体は、前記第2の酸化物半導体の側面と接する領域と、前記第1の酸化物半導体の側面と接する領域と、を有し、
チャネル幅方向において、前記第3の導電体は、前記第2の酸化物半導体の側面と面する領域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1の導電体と前記第1の絶縁体との間に第3の絶縁体を有し、
前記第2の導電体と前記第1の絶縁体との間に第4の絶縁体を有し、
前記第3の絶縁体の下面全体は、前記第1の導電体の上面と接し、
前記第4の絶縁体の下面全体は、前記第2の導電体の上面と接する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記第2の酸化物半導体と前記第1の絶縁体との間に第3の酸化物半導体を有し、
前記第3の酸化物半導体は、前記第2の酸化物半導体の側面と接する領域と、前記第1の導電体の側面と接する領域と、前記第2の導電体の側面と接する領域と、を有し、
チャネル幅方向において、前記第3の酸化物半導体は、前記第2の酸化物半導体の側面と接する半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
前記第1の導電体及び前記第2の導電体の各々は、窒素を含む半導体装置。
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