以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本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、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
本実施の形態では、コンピュータが設置してある机の下に、無線信号を用いる入力システムを設け、コンピュータの操作者が足で操作することで、手によってポインティングデバイス、具体的にはマウスを操作した場合と同等のカーソル操作を実現する形態について説明する。
図1(A)は、コンピュータ21が設置してある机24の下に無線信号15を用いる入力システムを設け、コンピュータ21の操作者が、リーダ/ライタ13を取り付けた履き物12を履いている足を動かすことで、手によってマウス22を操作した場合と同等のカーソル25の操作を実現する構成を示す。但し、カーソル25とは、マウスカーソルやマウスポインタとも呼ばれ、コンピュータ21のディスプレイ20に表示される。主に、矢印の形をした記号で、マウス22を移動させることにより、カーソル25も連動してディスプレイ20上を移動する。状況や位置に応じて形や機能が変化し、行なえる操作が変化する。この説明図では、履き物12を右足で履く場合を示してあるが、これに限定されるものではなく、左足で履いても良い。
図1(A)において、無線信号15を用いる入力システムには、シリコンなどの単結晶基板や、ガラス基板、プラスチック基板上に半導体集積回路やアンテナを形成して作製された無線チップ(又は、無線タグ)10と、無線チップ10に対し、無線信号15の交信を行うリーダ/ライタ13を用いる。
ガラス基板を用いる場合、半導体集積回路が形成されている側と反対面を研磨することによって、薄くすることができる。その結果、ガラス基板上に形成された半導体集積回路であっても、柔軟性を高めることができる。
なおプラスチック基板とは、可撓性を有する基板を指し、プラスチックとして、例えば、極性基のついたポリノルボルネン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリアリレート(PAR)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリイミドなどをその範疇に含む。
そこで、位置情報を記憶した無線チップ10を複数用意し、絶縁体で作製されたシート11に、図1(B)に示すように無線チップ10が有する位置情報にあわせて、シート11へ埋め込む。図1(B)は、図1(A)におけるXを拡大した図である。このシート11を無線チップが形成されている面を上面としてコンピュータ21が設置してある机24の下の床に敷く。例えば、シート11を設置する時は、あらかじめ定めたシート11の横方向と、ディスプレイ20の画面の長辺方向が平行となるように設置するのがよい。また、シート11の左右が入れ替わるように設置するのは好ましくない。なお、シート11の大きさや設置方法は、特に限定されない。その他の方法として、シールや粘着性のテープなどを用いてシート11を床などに貼り付けても良い。
ここで、複数の無線チップ10を使うため、リーダ/ライタ13は、同時に複数の無線信号15を受信する可能性があり、同時に受信した場合、それぞれの無線信号15同士が衝突してしまい、無線信号15から正しい情報を抽出することが出来なくなる。そのため、これを回避する方法として、シート11に無線チップ10を設ける際、ある程度の距離を取って設ける。無線チップ10とリーダ/ライタ13からそれぞれ出力される無線信号15は、遠くに飛ばす必要がないので、出力を必要最低限に抑えることができる。
格子の頂点の間隔は、適宜決定する。なお本発明は足で操作するため、手操作よりも細かい操作が出来ないので、操作の動作が大きくなる。そのため、操作結果を縮小して、カーソルの操作に反映させる。
なお、本発明において無線チップは必ずしも複数必要としない。例えば無線チップ1つと、リーダ/ライタを複数(例えば2つ)用意することによって、複数のリーダ/ライタの動きや位置を確認することが可能となる。例えば、あるスペースに無線チップを1つ用意し、そのスペースに履き物などに取り付けたリーダ/ライタ2つを近づける。リーダ/ライタと無線チップ間の距離やリーダ/ライタの速度が変化すると、位相または振幅が変化し、その変化からリーダ/ライタと無線チップ間の2通りの距離を算出し、位置を決定することが出来る。勿論、本システムを用いるとき、無線チップを複数用いてもよい。
また同様に、無線チップ1つと、リーダ/ライタを複数(例えば2つ)用意し、上記とは逆に、無線チップの位置や動きを確認することも可能となる。例えば、あるスペースの端に位置センサーとしてリーダ/ライタを離して2個用意し、そのスペースに履き物などに取り付けた無線チップ1つを近づける。無線チップを近づけたことで、位相または振幅が変化し、その変化からリーダ/ライタと無線チップ間の2通りの距離を算出し、位置を決定することが出来る。勿論、本システムを用いるとき、無線チップを複数用いてもよい。
一方、図1(C)に示すように、履き物12の裏側には、無線チップ10と無線信号15の交信を行うリーダ/ライタ13を取り付ける。図1(C)は、図1(A)におけるYを示した図で、履き物12の裏側の図である。ここで、確実に無線信号15を受信するために、履き物12の裏側にアンテナを配置すると、無線信号15が何にも遮られずに受信出来るようになるため良い。また、履き物12には、リーダ/ライタ13のアンテナ部分のみを取り付け、リーダ/ライタ13のアンテナ以外の部分は別の場所に配置し、その間をケーブル14を介して接続する構成にする。そうすることで、実際に操作する履き物12の重量を軽くすることが出来、足や体への負担が軽減出来るので良い。
さらに、作業効率の向上のため、このリーダ/ライタ13に、マウス22の選択機能用のスイッチ16を少なくとも一つ以上設ける。このスイッチ16は、足で確実に押せるような位置に取り付ける。例えば、履き物12を加工し、穴を開けて、履き物12の内側から足で押せるような構成にすると良い。その構成を図1(D)に履き物12の断面図として示す。図1(D)は、図1(C)におけるP−P’の断面図である。このリーダ/ライタ13の電源は、コンピュータ21からケーブル14を介してか、または、電池などによって供給される。
以上の構成で、リーダ/ライタ13が取り付けられた履き物12を履いたその足をシート11の上の一部に置くと、リーダ/ライタ13は、リーダ/ライタ13の真下にある無線チップ10に対し、位置情報を出力させる命令を含む無線信号15を送信する。すると、その無線信号15を受信した無線チップ10は、リーダ/ライタ13に対し、無線チップ10が有する位置情報を含む無線信号15を送信し、この位置情報を含んだ無線信号15をリーダ/ライタ13が受信する。リーダ/ライタ13は、無線信号15から位置情報を取り出し、記憶する。
次に、シート11上に置いた足を動かすと、リーダ/ライタ13は上記とは違うリーダ/ライタ13の真下にある無線チップ10から位置情報を含む無線信号15を受信し、無線信号15から位置情報を取り出し、記憶する。リーダ/ライタ13は、前の位置情報と今の位置情報から、足を動かしたことでリーダ/ライタ13が移動した距離、角度、速度を算出する。
リーダ/ライタ13は、算出した情報をコンピュータ21に出力する。また、ファイルなどの選択用のスイッチ16を足で押すと、リーダ/ライタ13は、算出した情報にその情報を加えてコンピュータ21に出力する。これらの情報がカーソル25の移動やファイルなどの選択に使われ、ディスプレイ20に反映される。従って、リーダ/ライタ13を取り付けた履き物12を履いた足を動かすことで、カーソル25の操作や、足でスイッチ16を押すことによるファイルなどの選択操作を行うことが出来る。
このように、本実施の形態を用いることで、他の手作業と同時に足によるカーソル25操作やファイルなどの選択操作を行うことが可能となる。そのため、コンピュータ21に記憶してある回路図などのデータを確認しながら、半田付けやプリント基板検査など両手のふさがるような作業を同時に行うことが出来るようになる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、本実施の形態2を図2に基づいて説明する。
図2(A)は、コンピュータ21が設置してある机24の下に、無線信号15を用いる入力システムを設け、コンピュータ21の操作者が、無線信号遮断材17を取り付けた履き物12を履いて、足を動かすことで、手によってマウス22を操作した場合と同等のカーソル25操作を実現する構成を説明する説明図である。但し、この説明図で、履き物12を右足で履く場合を示してあるが、これに限定されるものではなく、左足で履いても良い。
図2(A)において、無線信号15を用いる入力システムには、シリコンなどの単結晶基板や、ガラス基板、フレキシブル基板上に半導体集積回路やアンテナを形成して作製された無線チップ10(又は、無線タグ)と、無線チップ10に対し、無線信号15の交信を行うリーダ/ライタ13を用いる。そこで、位置情報を記憶した無線チップ10を複数用意し、絶縁体で作製されたシート11に図2(B)に示すように無線チップ10が有する位置情報にあわせて、シート11へ埋め込む。図2(B)は、図2(A)におけるXを拡大した図である。このシート11を無線チップが形成されている面を上面としてコンピュータ21が設置してある机24の下の床に敷く。例えば、シート11を設置する時は、あらかじめ定めたシート11の縦方向と、ディスプレイ20の画面の長辺方向が垂直となるように設置するのがよい。また、シート11の左右が入れ替わるように設置するのは好ましくない。なお、シート11の大きさや設置方法は、特に限定されない。その他の方法として、シールや粘着性のテープなどを用いてシート11を床などに貼り付けても良い。
ここで、複数の無線チップ10を使うため、リーダ/ライタ13は、同時に複数の無線信号15を受信する可能性があり、同時に無線信号15を受信すると、それぞれの無線信号15同士が衝突してしまい、無線信号15から正しい情報を抽出することが出来なくなる。そのため、これを回避する方法として、無線チップ10の無線信号15の出力のタイミングを、個々の無線チップ10で衝突しないように設定しておくと良い。
一方、無線チップ10に位置情報を出力させる命令を含む無線信号15を送信し、無線チップ10から位置情報を含んだ無線信号15を受信するためのリーダ/ライタ13を、図2(D)に示すように机24の裏面に設ける。図2(D)は、図1(A)における机24の裏面図である。このリーダ/ライタ13は、コンピュータ21とケーブル14を用いた有線通信、又は赤外線等を用いた無線通信を介して接続している。
また、図2(C)に示すように、リーダ/ライタ13と無線チップ10の無線信号15の交信を遮断するために、履き物12の裏側に無線信号遮断材17を取り付ける。図2(C)は、図2(A)におけるYを示した図で、履き物12の裏側の図である。ここで、確実に無線信号15を遮断するために、無線信号遮断材17は履き物12の裏側に取り付けると良い。さらに、無線信号遮断材17は、無線信号15を遮断するものであれば何でも適応可能なので、導電性の板で良い。そのため、重量を軽くし、足や体に負担がかからないようにすることが容易に出来る。
一方、マウス22の選択機能のために、キーボード23には、それ専用のボタンを少なくとも一つ設ける。
以上の構成で、リーダ/ライタ13からシート11に配置された全ての無線チップ10に対し、位置情報を出力させる命令を含む無線信号15を送信する。このとき、無線信号遮断材17を取り付けた履き物12を履いて、その足をシート11上の一部に置くと、リーダ/ライタ13と、無線信号遮断材17の真下にある無線チップ10の間の無線信号15の交信は、無線信号遮断材17によって遮断される。そのため、リーダ/ライタ13は、無線信号遮断材17の真下にある無線チップ10からの無線信号15を、受信することが出来ない。しかし、無線信号遮断材17の真下以外にある無線チップ10の無線信号は、受信することが出来る。
リーダ/ライタ13は、受信出来なかった無線信号15に含まれる位置情報を、受信した複数の無線信号15の位置情報から割り出すことで、現在の無線信号遮断材17の位置を特定し、その位置情報を記憶する。
次に、シート11上に置いた足を動かすと、リーダ/ライタ13は、直前に記憶した位置情報をもとに、その周辺の無線チップ10に対し、位置情報を出力させる命令を含む無線信号15を送信する。すると、再び、無線信号遮断材17によって遮断され、受信できない無線信号15と、それ以外の受信できる無線信号15があるので、受信した無線信号15に含まれる複数の位置情報から現在の無線信号遮断材17の位置を割り出し、記憶する。前に割り出した位置情報と今割り出した位置情報から、足を動かしたことで、無線信号遮断材17が移動した距離、角度、速度を算出する。
リーダ/ライタ13は、算出した情報をコンピュータ21に出力する。この情報がカーソル25の移動に使われ、ディスプレイ20に反映される。従って、無線信号遮断材17を取り付けた履き物12を履いている足を動かすことで、カーソル25の操作を行うことが出来る。
このように、本実施の形態を用いることで、カーソル25操作の際に、操作者が実際に操作するものを簡略化することが出来るので、コストの削減や、足や体への負担を軽減することが可能となる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の実施の形態3を図3に基づいて説明する。
図3(A)は、コンピュータ21に、無線信号15を用いる入力システムを設け、コンピュータ21の操作者が、手によってキーボード23を操作し、文字入力や文字変換などをする場合に、リーダ/ライタ13を取り付けた履き物12(操作デバイス)を履いている足を動かすことで、文字入力や文字変換の補助を実現する構成を説明する説明図である。但し、この説明図で、履き物12を左足で履く場合を示してあるが、これに限定されるものではなく、右足で履いても良い。
図3(A)において、無線信号15を用いる入力システムには、シリコンなどの単結晶基板や、ガラス基板、フレキシブル基板上に半導体集積回路やアンテナを形成して作製された無線チップ10(又は、無線タグ)と、無線チップ10に対し、無線信号15の交信を行うリーダ/ライタ13を用いる。この無線チップ10を複数用意し、絶縁体で作製されたシート11に図3(B)に示すように埋め込む。図3(B)は、図3(A)におけるXを拡大した図である。このシート11を無線チップが形成されている面を上面としてコンピュータ21が設置してある机24の下の床に敷く。例えば、シート11を設置する時は、あらかじめ定めたシート11の横方向と、ディスプレイ20の画面の長辺方向が平行となるように設置するのがよい。また、シート11の左右が入れ替わるように設置するのは好ましくない。なお、シート11の大きさや設置方法は、特に限定されない。その他の方法として、シールや粘着性のテープなどを用いてシート11を床などに貼り付けても良い。ここで、等間隔に配置された無線チップ10には、ある文字の入力機能、コントロールキーの機能、シフトキーの機能などを情報として記憶する。これは、操作者によって使う機能が違うので、操作者が任意に設定することが出来るようにすると良い。
一方、図3(C)に示すように、履き物12の裏側には、無線チップ10と無線信号15の交信を行うリーダ/ライタ13を取り付ける。図3(C)は、図3(A)におけるYを示した図で、履き物12の裏側の図である。ここで、確実に無線信号15を受信するために、履き物12の裏側に取り付けた方が良い。このリーダ/ライタ13の電源は、コンピュータ21からケーブル14を介してか、もしくは、電池などによって供給される。また、履き物12には、リーダ/ライタ13のアンテナ部分のみを取り付け、リーダ/ライタ13のアンテナ以外の部分は別の場所に配置し、その間をケーブル14を介して接続する構成でも良い。このような構成にすることで、実際に操作する履き物12の重量を軽くすることが出来、足や体への負担が軽減出来るので良い。
また、マウス22のカーソル25操作のために、本実施の形態は、上述の実施の形態と組み合わせることも可能である。
以上の構成で、リーダ/ライタ13が取り付けられた履き物12を履いて、その足をシート11の上の一部に置くと、リーダ/ライタ13は、リーダ/ライタ13の真下にある無線チップ10に対し、機能情報を出力させる命令を含む無線信号15を送信する。すると、その無線信号15を受信した無線チップ10は、リーダ/ライタ13に対し、機能情報を含む無線信号15を送信し、この情報を含んだ無線信号15をリーダ/ライタ13が受信する。
リーダ/ライタ13は、受信した機能情報をコンピュータ21に出力する。ここで、コンピュータ21に入力された情報は、コンピュータ21によって処理が行われ、ディスプレイ20などに反映される。従って、リーダ/ライタ13を取り付けた履き物12を履いた足を動かすことで、文字入力や文字変換などを行うことが出来る。
このように、キーボード23に設けてあるコントロールキーとシフトキーを、足で操作する入力システムに設けることで、例えば、ショートカット操作、アルファベットの大文字、小文字の切り替え操作が素早く行えるようになるため、作業効率を向上させることが出来る。
(実施の形態4)
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる実施の形態4について図4に基づいて説明する。
図4(A)は、本発明の構成を示したブロック図である。本発明の入力システムには、シリコン基板や、ガラス基板、プラスチック基板上に半導体集積回路やアンテナを形成して作製された無線チップ110、120、130(又は、無線タグ)と、無線チップ110と、無線信号109の交信を行うリーダ/ライタ100を有する。そして、リーダ/ライタ100は、コンピュータ200とケーブル201を用いた有線通信、又は赤外線などを用いた無線通信を介して接続している。
図4(A)に示すように、本発明のリーダ/ライタ100は、アンテナ101、変調回路102、復調回路103、記憶部104と演算部105を有する制御部106、文字やファイルの選択機能を行うためのスイッチ107、入出力部108を有する。スイッチ107は、操作者が、各スイッチ107に任意に機能を割り当てることが出来るようにすると、作業効率が向上するので良い。入出力部108は、ケーブル201を用いた有線通信、又は赤外線などを用いた無線通信を介してコンピュータ200と接続している。
本発明の入力システムを用いて、カーソル操作を行う場合、コンピュータ200より、ケーブル201を用いた有線通信、又は赤外線などを用いた無線通信を介して、リーダ/ライタ100に対し、カーソル位置の問い合わせ命令が転送される。リーダ/ライタ100の入出力部108がその命令を受信し、制御部106に転送する。
ここで、カーソル位置を、リーダ/ライタ100の位置とすると、リーダ/ライタ100の一番近くにある無線チップが記憶している位置の情報が、リーダ/ライタ100の位置を示すことになる。図4(B)に示すように、ここで、一番近い無線チップを、無線チップ110とする。リーダ/ライタ100は、カーソル位置の問い合わせ命令をコンピュータより受信し、制御部106で解析して、無線チップ110に対し、位置情報の読み出し命令を送信する動作に移る。
制御部106は、位置情報の読み出し命令を符号化した信号を生成し、変調回路102へ転送する。変調回路102は、符号化信号を基に搬送波を変調し、アンテナ101に出力し、アンテナ101は、それを無線信号109として無線チップ110へ送信する。
この無線信号109を受信した無線チップ110は、無線信号109に含まれている命令を抽出し、解析する動作に移る。
本発明の無線チップ110は、アンテナと共振容量からなる共振回路111、電源回路112、クロック回路113、変調回路114、復調回路115、制御回路116、メモリ回路117を有する。無線チップ110は上記構成に制限されず、中央処理演算装置(CPU)、輻輳制御回路、A/D変換回路等を有することもある。
メモリ回路117に設けられたメモリ素子には、書き換え不可能な不揮発性メモリとして、マスクROM(Read Only Memory)、電極間に絶縁物を有するライトワンスメモリを用いることができる。書き換え可能な不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリ、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、強誘電体メモリ、等が挙げられる。
無線チップ110は、共振回路111で、リーダ/ライタ100のアンテナ101より送信された無線信号109を受信すると、アンテナ両端に交流信号を発生する。発生した交流信号を基に、電源回路112は、電源電位を生成し、各回路へ供給するほか、クロック回路113は、様々な周波数のクロック信号を生成し、各回路へ供給する。
さらに、共振回路111に発生した交流信号は、リーダ/ライタ100のアンテナ101から送信された命令等の情報を含んでおり、復調回路115は、交流信号に含まれる情報を復調する。制御回路116は、復調した信号から命令を抽出し、メモリ回路117を制御することで、命令に従った一連の動作を実行する。また、復調した信号に誤りが無いかをチェックする回路を有してもよい。
メモリ回路117は、無線チップ110固有の情報を保持する。ここで、固有の情報とは、無線チップ110がどこに配置されているかを示す位置情報や設定された機能情報などがそれに当たる。
今回の場合、制御回路116で抽出された命令は、位置情報の読み出し命令なので、制御回路116は、メモリ回路117へ読み出し命令を送り、位置情報を読み出すことが出来る。制御回路116は、読み出した情報を、制御回路116内の符号化回路によって符号化した信号を生成し、変調回路114へ出力する。
変調回路114は、符号化した信号を基に搬送波を変調する機能を有している。そこで、変調回路114は、制御回路116より入力された符号化信号を、変調し、アンテナ101を有する共振回路111へ出力する。
アンテナ101は、変調回路114より共振回路111に入力された交流信号を無線信号109として、リーダ/ライタ100へ送信する。
この無線チップ110からの位置情報を含む無線信号109を、リーダ/ライタ100のアンテナ101が受信する。リーダ/ライタ100のアンテナ101は、受信した無線信号109を復調回路103に出力する。復調回路103は、無線信号109を復調し、制御部106へ出力する。
制御部106は、復調された信号から位置情報を抽出し、制御部106内の記憶部104に記憶するほか、演算部105に転送する。演算部105では、直前に受信した位置情報(第一位置情報)と、今回受信した位置情報(第二位置情報)の比較を行う。
今回の場合は、以前の位置情報がないので、演算部105は、比較を行わなくてすむ。比較が行われた場合は、その比較結果を入出力部108に出力する。しかし、今回は、比較が行われなかったので、そのことを示す情報を入出力部108に出力する。入出力部108は、その情報をコンピュータ200に転送する。
この情報を基にコンピュータ200はカーソルの位置を決定し、ディスプレイに反映する。すると、再びコンピュータ200より、ケーブル201を用いた有線通信、又は赤外線などを用いた無線通信を介して、リーダ/ライタ100に対し、カーソル位置の問い合わせ命令が転送される。
この命令を受信したリーダ/ライタ100は無線チップに対し、再び位置情報の読み出し命令を含む無線信号109を送信する。ここで、図4(B)から図4(C)のように、リーダ/ライタ100の位置が移動し、一番近い無線チップが無線チップ110から無線チップ120に変わっていた場合、問い合わせ命令を受信したリーダ/ライタ100は、位置情報の読み出し命令を含む無線信号109を無線チップ120へ送信する。
無線信号109を受信した無線チップ120は、上記で説明した無線チップ110の動作と同様の動作を行い、無線チップ120が記憶していた位置情報を含む無線信号109をリーダ/ライタ100に送信する。
この無線信号109を受信したリーダ/ライタ100は、無線信号109から位置情報を制御部106で抽出し、記憶部104と演算部105に転送する。記憶部104は、この位置情報を記憶する。すると、記憶部104は、記憶していた直前の位置情報を演算部105に転送する。そのため、演算部105は、今回抽出された位置情報と直前の位置情報を受信するので、この二つの情報の比較を行う。この二つの情報の比較によって、リーダ/ライタ100の移動した距離、角度、速度が算出される。
この結果を制御部106は、入出力部108に出力する。さらに、ここで、スイッチ107が押されると、その押されたことを示す情報も制御部106で追加され、入出力部108に出力される。入出力部108は、この情報をコンピュータ200に転送する。
ここで、コンピュータ200は、受信した情報をもとにカーソルの位置を決定し、ディスプレイに反映させる。無線チップを複数用意して、この一連の動作が繰り返し行うことで、本発明の入力システムでカーソル操作が実現出来る。
本実施の形態は無線チップ110、120とリーダ/ライタ100の一連やり取りの例を示したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、図5(A)(B)(C)のように、リーダ/ライタ100は固定し、アンテナ101部分のみを動かす構成でも行うことが可能である。
(実施の形態5)
本実施の形態では、無線チップが有する各回路を構成するトランジスタ、容量素子、抵抗素子の構造について、図6、図7に基づいて説明する。
上記実施の形態で示した無線チップ110、120、130などを構成する各回路は、トランジスタを含んで構成されている。トランジスタはシリコンなどの単結晶基板に形成されるMOSトランジスタの他、ガラス基板やプラスチック基板に下地膜401等を介して形成される薄膜トランジスタ(TFT)で構成することもできる。図6はこれらの回路を構成するトランジスタの断面構造を示す図である。図6は、nチャネル型トランジスタ301、nチャネル型トランジスタ302、容量素子304、抵抗素子305、pチャネル型トランジスタ303が示されている。各トランジスタは半導体層405、ゲート絶縁層408、ゲート電極409を備えた薄膜トランジスタ(TFT)を用いることができる。ゲート電極409は、第1導電層403と第2導電層402の積層構造で形成されている。また、図7(A)〜(E)は、図6で示すnチャネル型トランジスタ301、nチャネル型トランジスタ302、容量素子304、抵抗素子305、pチャネル型トランジスタ303に対応する上面図で、合わせて参照することができる。
図6において、nチャネル型トランジスタ301は、チャネル長方向(キャリアの流れる方向)において、ゲート電極の両側に低濃度ドレイン(LDD)とも呼ばれ、配線404とコンタクトを形成するソース及びドレイン領域を形成する不純物領域406の不純物濃度よりも低濃度にドープされた不純物領域407が半導体層405に形成されている。不純物領域406と不純物領域407には、nチャネル型トランジスタ301を構成する場合、n型を付与する不純物としてリンなどが添加されている。LDDはホットエレクトロン劣化や短チャネル効果を抑制する手段として形成される。
図7(A)で示すように、nチャネル型トランジスタ301のゲート電極409において、第1導電層403は、第2導電層402の両側に広がって形成されている。この場合において、第1導電層403の膜厚は、第2導電層402の膜厚よりも薄く形成されている。第1導電層403の厚さは、10〜100kVの電界で加速されたイオン種を通過させることが可能な厚さに形成されている。不純物領域407はゲート電極409の第1導電層403と重なるように形成されている。すなわち、ゲート電極409とオーバーラップするLDD領域を形成している。この構造は、ゲート電極409において、第2導電層402をマスクとして、第1導電層403を通して一導電型の不純物を添加することにより、自己整合的に不純物領域407を形成している。すなわち、ゲート電極409とオーバーラップするLDDを自己整合的に形成している。
両側にLDD有するトランジスタは、図4(A)における無線チップ110の電源回路112の整流用のTFTや、論理回路に用いられるトランスミッションゲート(アナログスイッチとも呼ぶ)を構成するトランジスタに適用される。これらのTFTは、ソース電極やドレイン電極に正負両方の電圧が印加されるため、ゲート電極の両側にLDDを設けることが好ましい。
図6において、nチャネル型トランジスタ302は、ゲート電極の片側に不純物領域406の不純物濃度よりも低濃度にドープされた不純物領域407が半導体層405に形成されている。図7(B)で示すように、nチャネル型トランジスタ302のゲート電極409において、第1導電層403は、第2導電層402の片側に広がって形成されている。この場合も同様に、第2導電層402をマスクとして、第1導電層403を通して一導電型の不純物を添加することにより、自己整合的にLDDを形成することができる。
片側にLDDを有するトランジスタは、ソース及びドレイン電極間に正電圧のみ、もしくは負電圧のみが印加されるトランジスタに適用すればよい。具体的には、インバータ回路、NAND回路、NOR回路、ラッチ回路といった論理ゲートを構成するトランジスタや、センスアンプ、定電圧発生回路、VCO(Voltage Control Oscillator)といったアナログ回路を構成するトランジスタに適用すればよい。
図6において、容量素子304は、第1導電層403と半導体層405とでゲート絶縁層408を挟んで形成されている。容量素子304を形成する半導体層405には、不純物領域410と不純物領域411を備えている。不純物領域411は、半導体層405において第1導電層403と重なる位置に形成される。また、不純物領域410は配線404とコンタクトを形成する。不純物領域411は、第1導電層403を通して一導電型の不純物を添加することができるので、不純物領域410と不純物領域411に含まれる不純物濃度は同じにすることもできるし、異ならせることも可能である。いずれにしても、容量素子304において、半導体層405は電極として機能させるので、一導電型の不純物を添加して低抵抗化しておくことが好ましい。また、第1導電層403は、図7(C)に示すように、第2導電層402を補助的な電極として利用することにより、電極として十分に機能させることができる。このように、第1導電層403と第2導電層402を組み合わせた複合的な電極構造とすることにより、容量素子304を自己整合的に形成することができる。
容量素子は、図4(A)における無線チップ110の電源回路112が有する保持容量、あるいは共振回路111が有する共振容量として用いられる。特に、共振容量は、容量素子の2端子間に正負両方の電圧が印加されるため、2端子間の電圧の正負によらず容量として機能することが必要である。
図6において、抵抗素子305は、第1導電層403によって形成されている。第1導電層403は30〜150nm程度の厚さに形成されるので、その幅や長さを適宜設定して抵抗素子を構成することができる。
抵抗素子は、図4(A)における無線チップ110の変調回路114が有する抵抗負荷として用いられる。また、VCOなどで電流を制御する場合の負荷としても用いられる場合がある。抵抗素子は、高濃度に不純物元素を含む半導体層や、膜厚の薄い金属層によって構成すればよい。抵抗値が膜厚、膜質、不純物濃度、活性化率などに依存する半導体層に対して、金属層は、膜厚、膜質で抵抗値が決定するため、ばらつきが小さく好ましい。
図6において、pチャネル型トランジスタ303は、半導体層405に不純物領域412を備えている。この不純物領域412は、配線404とコンタクトを形成するソース及びドレイン領域を形成する。ゲート電極409の構成は第1導電層403と第2導電層402が重畳した構成となっている。pチャネル型トランジスタ303はLDDを設けないシングルドレイン構造のトランジスタである。pチャネル型トランジスタ303を形成する場合、不純物領域412にはp型を付与する不純物として硼素などが添加される。一方、不純物領域412にリンを添加すればシングルドレイン構造のnチャネル型トランジスタとすることもできる。
半導体層405及びゲート絶縁層408の一方若しくは双方に対してマイクロ波で励起され、電子温度が2eV以下、イオンエネルギーが5eV以下、電子密度が1011〜1013/cm3程度である高密度プラズマ処理によって酸化又は窒化処理しても良い。このとき、基板温度を300〜450℃とすることができるため、耐熱性の低いプラスチックなどの基板にも成膜することができる。
このような絶縁膜の成膜雰囲気は窒素雰囲気、又は酸素雰囲気とすることができる。
窒素雰囲気とは、代表的には、窒素と希ガスとの混合雰囲気、又は窒素と水素と希ガスとの混合雰囲気である。希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも1つを用いることができる。また酸素雰囲気とは、代表的には、酸素と希ガスとの混合雰囲気、酸素と水素と希ガスとの混合雰囲気、又は一酸化二窒素と希ガスとの混合雰囲気である。希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも1つを用いることができる。
酸素雰囲気、又は窒素雰囲気で処理することにより、半導体層405とゲート絶縁層408の界面の欠陥準位を低減することができる。ゲート絶縁層408対してこの処理を行うことにより、この絶縁層の緻密化を図ることができる。すなわち、荷電欠陥の生成を抑えトランジスタのしきい値電圧の変動を抑えることができる。また、トランジスタを3V以下の電圧で駆動させる場合には、このプラズマ処理により酸化若しくは窒化された絶縁層をゲート絶縁層408として適用することができる。また、トランジスタの駆動電圧が3V以上の場合には、このプラズマ処理で半導体層405の表面に形成した絶縁層とCVD法(プラズマCVD法若しくは熱CVD法)で堆積した絶縁層とを組み合わせてゲート絶縁層408を形成することができる。また、同様にこの絶縁層は、容量素子304の誘電体層としても利用することができる。この場合、このプラズマ処理で形成された絶縁層は、1〜10nmの厚さで形成され、緻密な膜であるので、大きな電荷容量を持つ容量素子を形成することができる。
また半導体膜は非晶質シリコン、多結晶シリコンを用いることができ、多結晶シリコンを用いる場合、まず非晶質シリコンを形成し、熱処理、又はレーザ照射を行って多結晶シリコンとすることができる。このとき、ニッケルを代表とする金属元素を用いて熱処理、又はレーザ照射を行うことにより、結晶化温度を低減することができる。レーザ照射には、連続発振、又はパルス発振のレーザ照射装置を用いることができる。また、熱処理を伴った結晶化法と、連続発振レーザ若しくは10MHz以上の周波数で発振するレーザビームを照射する結晶化法とを組み合わせても良い。連続発振レーザ又は10MHz以上の周波数で発振するレーザビームを照射することで、結晶化された半導体膜の表面を平坦なものとすることができる。それにより、ゲート絶縁膜を薄膜化することも可能であり、また、ゲート絶縁膜の耐圧を向上させることに寄与することができる。
また、半導体膜に対し、連続発振レーザ若しくは10MHz以上の周波数で発振するレーザビームを照射しながら一方向に走査して結晶化させて得られた半導体膜は、そのビームの走査方向に結晶が成長する特性がある。その走査方向をチャネル長方向(チャネル形成領域が形成されたときにキャリアが流れる方向)に合わせてトランジスタを配置し、高密度プラズマ処理を施したゲート絶縁膜を組み合わせることで、特性ばらつきが小さく、しかも電界効果移動度が高いトランジスタ(TFT)を得ることができる。
図6及び図7を参照して説明したように、膜厚の異なる導電層を組み合わせることにより、さまざまな構成の素子を形成することができる。第1導電層のみが形成される領域と、第1導電層と第2導電層が積層されている領域は、回折格子パターン或いは半透膜からなる光強度低減機能を有する補助パターンを設置したフォトマスクまたはレチクルを用いて形成することができる。すなわち、フォトリソグラフィー工程において、フォトレジストを露光する際に、フォトマスクの透過光量を調節して、現像されるレジストマスクの厚さを異ならせる。この場合、フォトマスクまたはレチクルに解像度限界以下のスリットを設けて上記複雑な形状を有するレジストを形成してもよい。また、現像後に約200℃のベークを行ってフォトレジスト材料で形成されるマスクパターンを変形させてもよい。
また、回折格子パターン或いは半透膜からなる光強度低減機能を有する補助パターンを設置したフォトマスクまたはレチクルを用いることにより、第1導電層のみが形成される領域と、第1導電層と第2導電層が積層されている領域を連続して形成することができる。図7(A)に示すように、第1導電層403のみが形成される領域を半導体層上に選択的に形成することができる。このような領域は、半導体層上において有効であるが、それ以外の領域(ゲート電極と連続する配線領域)では必要がない。このフォトマスク若しくはレチクルを用いることにより、配線部分は、第1導電層403のみの領域を作らないで済むので、配線密度を実質的に高めることができる。
図6及び図7の場合には、第1導電層はタングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)またはモリブデン(Mo)などの高融点金属、又は高融点金属を主成分とする合金もしくは化合物を30〜50nmの厚さで形成する。また、第2導電層はタングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)またはモリブデン(Mo)などの高融点金属、又は高融点金属を主成分とする合金もしくは化合物で300〜600nmの厚さに形成する。例えば、第1導電層と第2導電層をそれぞれ異なる導電材料を用い、後に行うエッチング工程でエッチングレートの差が生じるようにする。一例として、第1導電層としてTaNを用い、第2導電層としてタングステン膜を用いることができる。
また第1導電層は、第2導電層を用いてゲート配線を形成する場合、それらの両端を揃えるようにパターニングしてもよい。その結果、微細なゲート配線を形成することができる。またゲート電極とオーバーラップするLDDを自己整合的に形成する必要もないからである。
本実施の形態では、回折格子パターン或いは半透膜からなる光強度低減機能を有する補助パターンを設置したフォトマスクまたはレチクルを用いて、電極構造の異なるトランジスタ、容量素子、抵抗素子を、同じパターニング工程によって作り分けることができることを示している。これにより、回路の特性に応じて、形態の異なる素子を、工程を増やすことなく作り込み、集積化することができる。
(実施の形態6)
本実施の形態では、図4(A)で示す無線チップを構成する要素の一つとして、メモリ回路を構成する一例について、図8から図10に基づいて説明する。
図8(A)で示す半導体層510、511はシリコン若しくはシリコンを成分とする結晶性の半導体で形成することが好ましい。例えば、シリコン膜をレーザアニールなどによって結晶化された多結晶シリコン、単結晶シリコンなどが適用される。その他にも半導体特性を示す、金属酸化物半導体、アモルファスシリコン、有機半導体を適用することも可能である。
いずれにしても、最初に形成する半導体層は絶縁表面を有する基板の全面若しくは一部(トランジスタの半導体領域として確定されるよりも広い面積を有する領域)に形成する。そして、フォトリソグラフィー技術によって、半導体層上にマスクパターンを形成する。そのマスクパターンを利用して半導体層をエッチング処理することにより、TFTのソース及びドレイン領域及びチャネル形成領域を含む特定形状の島状の半導体層510、511を形成する。その半導体層510、511はレイアウトの適切さを考慮して決められる。
図8(A)で示す半導体層510、511を形成するためのフォトマスクは、図8(B)に示すマスクパターン530を備えている。このマスクパターン530は、フォトリソグラフィー工程で用いるレジストがポジ型かネガ型かで異なる。ポジ型レジストを用いる場合には、図8(B)で示すマスクパターン530は、遮光部として作製される。マスクパターン530は、多角形の頂部Aを削除した形状となっている。また、コーナーの内側Bにおいては、そのコーナー部が直角とならないように複数段に渡って屈曲する形状となっている。このフォトマスクのパターンはコーナー部が削除されている。
図8(B)で示すマスクパターン530は、その形状が、図8(A)で示す半導体層510、511に反映される。その場合、マスクパターン530と相似の形状が転写されても良いが、マスクパターン530のコーナーの角部がさらに丸みを帯びるように転写されていても良い。すなわち、マスクパターン530よりもさらにパターン形状をなめらかにした、丸め部を設けても良い。
半導体層510、511の上には、酸化シリコン若しくは窒化シリコンを少なくとも一部に含む絶縁層が形成される。この絶縁層を形成する目的の一つはゲート絶縁層である。そして、図9(A)で示すように、半導体層と一部が重なるようにゲート配線512、513、514を形成する。ゲート配線512は半導体層510に対応して形成される。ゲート配線513は半導体層510、511に対応して形成される。また、ゲート配線514は半導体層510、511に対応して形成される。ゲート配線は、金属層又は導電性の高い半導体層を成膜し、フォトリソグラフィー技術によってその形状を絶縁層上に作り込む。
このゲート配線を形成するためのフォトマスクは、図9(B)に示すマスクパターン531を備えている。このマスクパターン531は、配線の線幅の1/2以下で、線幅の1/5以上の長さにコーナー部を削除している。図9(B)で示すマスクパターン531は、その形状が、図9(A)で示すゲート配線512、513、514に反映される。その場合、マスクパターン531と相似の形状が転写されても良いが、マスクパターン531のコーナーの角部がさらに丸みを帯びるように転写されていても良い。すなわち、ゲート配線512、513、514にマスクパターン531よりもさらにパターン形状をなめらかにした、丸め部を設けても良い。ゲート配線512、513、514のコーナー部の外側はプラズマによるドライエッチングの際、異常放電による微粉の発生を抑えることができる。コーナー部の内側では、洗浄のときに、基板に微粉が付着していても、洗浄液を配線パターンのコーナー部に滞留させずに洗い流すことができる。
層間絶縁層はゲート配線512、513、514の次に形成される層である。層間絶縁層は酸化シリコンなどの無機絶縁材料若しくポリイミドやアクリル樹脂などを使った有機絶縁材料を使って形成する。この層間絶縁層とゲート配線512、513、514の間には窒化シリコン若しくは窒化酸化シリコンなどの絶縁層を介在させても良い。また、層間絶縁層上にも窒化シリコン若しくは窒化酸化シリコンなどの絶縁層を設けても良い。この絶縁層は、外因性の金属イオンや水分などTFTにとっては良くない不純物により半導体層やゲート絶縁層を汚染するのを防ぐことができる。
層間絶縁層には所定の位置に開孔が形成されている。例えば、下の層にあるゲート配線や半導体層に対応して設けられる。金属若しくは金属化合物の一層若しくは複数層で形成される配線層は、フォトリソグラフィー技術によってマスクパターンが形成され、エッチング加工により所定のパターンに形成される。そして、図10(A)で示すように、半導体層と一部が重なるように配線515〜520を形成する。配線はある特定の素子間を連結する。配線は特定の素子と素子の間を直線で結ぶのではなく、レイアウトの制約上屈曲部が含まれる。また、コンタクト部やその他の領域において配線幅が変化する。コンタクト部では、コンタクトホールが配線幅と同等若しくは大きい場合には、その部分で配線幅が広がるように変化する。
この配線515〜520を形成するためのフォトマスクは、図10(B)に示すマスクパターン532を備えている。この場合においても、配線は、そのL字に折れ曲がったコーナー部であって直角三角形の一辺が10μm以下、または、配線の線幅の1/2以下で、線幅の1/5以上の長さに角部を削除し、コーナー部に丸みをおびるパターンを有せしめる。具体的にはコーナー部の外周縁に丸みを帯びさせるため、コーナー部を挟む互いに垂直な2つの第1直線と、これら2つの第1直線と約45度の角度をなす一つの第2直線と、で形成される直角2等辺三角形の部分に相当する配線層の一部を除去する。除去すると新たに2つの鈍角の部分が配線層に形成されるが、マスク設計や、エッチング条件を適宜設定することにより、各鈍角部分に第1直線と第2直線との両方に接する曲線が形成されるように配線層をエッチングすることが好ましい。なお、前記直角2等辺三角形の互いに等しい2辺の長さは、配線幅の1/5以上1/2以下とする。
またコーナー部の内周についても、コーナー部の外周に沿って内周が丸みを帯びるよう形成する。このような配線形状は、プラズマによるドライエッチングの際、異常放電による微粉の発生を抑えることができる。また、基板を洗浄する際に、基板に微粉が付着していても、洗浄液を配線パターンのコーナー部に滞留させずに洗い流すことができ、結果として歩留まりを向上させるという効果を有する。このことは、基板上に多数の平行配線がある場合に、付着した微粉を洗浄により除去しやすくなるという利点でもある。配線のコーナーの角部がラウンドをとることにより、電気的にも伝導させることが期待できる。また、多数の平行配線では、ゴミを洗い流すのにはきわめて好都合である。
図10(A)には、nチャネル型トランジスタ521〜524、pチャネル型トランジスタ525、526が形成されている。nチャネル型トランジスタ523とpチャネル型トランジスタ525はインバータを構成している。また、nチャネル型トランジスタ524とpチャネル型トランジスタ526もインバータを構成している。この6つのトランジスタを含む回路はメモリ回路を形成している。これらのトランジスタの上層には、窒化シリコンや酸化シリコンなどの絶縁層が形成されていても良い。