JP7337900B2 - 遠隔操作システム - Google Patents
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Description
作する要望が増している。また、電気機器は、商用電源やバッテリーに接続されたスイッ
チ素子を制御することにより、電気機器への電力供給を制御するよう構成されることが多
い(例えば、特許文献1を参照)。
るスイッチ素子のオン・オフ動作制御が挙げられる。電力供給源から電気機器が有する負
荷への電力供給を制御するスイッチ素子(以下、単に「スイッチ」ともいう。)としては
、大電力が必要な負荷へ電力供給を行う場合、パワーMOSFETやIGBT(Insu
lated Gate Bipolar Transistor)を用いることが一般的
である。また、電子回路等の負荷への電力の供給の場合、薄膜トランジスタを用いること
が一般的である。パワーMOSFET、IGBT及び薄膜トランジスタは、いずれもシリ
コンを含む材料で構成される。
いると、電力不使用時の待機電力が多くなりやすいという問題がある。待機電力は、主に
電力不使用時にスイッチ素子を流れるリーク電流によるものであり、待機電力の増加は消
費電力の増加に繋がる。従って、消費電力を低減するためには、スイッチ素子に流れるリ
ーク電流を低減する必要がある。
てしまうので、待機時の消費電力の低減が困難であった。
、消費電力を小さく抑えることができる遠隔操作システムの提供を、課題の一つとする。
報端末から送信された情報に基づいて、電気機器が有するスイッチのオン状態またはオフ
状態を制御する情報を送信する遠隔操作システムであって、電気機器が有するスイッチは
、チャネルが形成される半導体層にバンドギャップが単結晶シリコンよりも広い半導体を
含むトランジスタを用いることを特徴とする。
気機器と、を有し、電気機器は、通信回路と、電力供給回路と、負荷と、を有し、電気機
器は、通信回路によりサーバーと情報の送受信を行い、電力供給回路は、サーバーから送
信された情報によりオン状態とオフ状態が制御されるスイッチを有し、電力供給回路は、
スイッチを介して負荷に電力を供給し、スイッチは、チャネルが形成される半導体層にバ
ンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体を含むトランジスタであることを特徴とす
る。
、情報の送受信を行うことができる。また、サーバーと電気機器は、通信回路を有し、例
えば、LANケーブルなどを用いた有線通信や、無線LANなどを用いた無線通信により
接続し、情報の送受信を行ことができる。また、可視光や赤外光などを用いた光通信によ
り情報の送受信を行ってもよい。
こともできる。また、電気機器の動作状況を、サーバーを介して携帯情報端末に送信する
こともできる。
用いることが好ましい。チャネルが形成される半導体層(活性層)に酸化物半導体を用い
たトランジスタは、耐電圧性が高く、ソースとドレイン間の電圧を100V以上、好まし
くは200V以上、より好ましくは500V以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の
高いトランジスタを実現することが可能となる。また、活性層に酸化物半導体を用いたト
ランジスタは、オン状態の時のソースとドレインの間の抵抗が小さい。よって、電力供給
用のスイッチとして、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジス
タを用いると、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。また、チ
ャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ状態の時にソ
ースとドレインの間に流れる電流(以下、「オフ電流」ともいう。)が著しく小さい。よ
って、電気機器の非動作時の消費電力を低減することが可能となる。
用のスイッチに限らず、他のスイッチとして用いることも可能である。
窒素と酸素の混合雰囲気下で900℃以上1500℃以下の加熱処理を行うことで、酸化
物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの密度と、酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの
結晶性を得ることができる。
、コンピュータシステムを構成する機器(CPU、メモリ、HDD、プリンタ、モニター
など)や自動車に組み込まれる電気制御機器であってもよい。或いは、CPUや半導体メ
モリのようなLSIの内部構成であってもよい。なおここで、コンピュータとは、タブレ
ット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの
他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。なお、本明細書に示
す電気機器の概念は、電力供給システムが必要な、社会インフラストラクチャーにも適用
可能である。
えることができる遠隔操作システムを提供することができる。
れず、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、以下に説明する発明の構成において
、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異なる図面間で共通して用い、
その繰り返しの説明は省略する。
全般を指し、例えば、電気光学装置、表示装置、発光装置、半導体回路及び電気機器は半
導体装置を有している場合が多い。
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は
、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることが
ある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて
用いることができるものとする。
定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、
その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配
線」が一体となって形成されている場合なども含む。
。
されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続され
ている場合とを含むものとする。ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路
、配線、電極、端子、導電層、絶縁層、など)であるとする。したがって、所定の接続関
係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接
続関係以外のものも含むものとする。
るトランジスタと明確に判明できるように、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導
体を用いるトランジスタの回路記号には「OS」と記載している。
本発明の一態様を、図1を用いて説明する。図1(A)に示す家屋100は、サーバー1
20、電気機器200を有する。電気機器200は有線通信回路212を有し、サーバー
120と有線LAN125を介して接続される。サーバー120は、通信回路121とコ
ントローラー122を有する。通信回路121は、電話回線やインターネット回線などの
電気通信回線を介して、携帯情報端末130と情報を送受信する。情報の送受信は、情報
を暗号化して行うことが好ましい。サーバー120は、コントローラー122によって電
気機器200の動作を制御し、電気機器200の動作状況を把握することができる。携帯
情報端末130は、電気通信回線を介してサーバー120を遠隔操作することができる。
よって、携帯情報端末130は、サーバー120を介して、電気機器200を遠隔操作す
ることができる。
200への電源供給制御について、図2を用いて説明する。電気機器201は、少なくと
も有線通信回路212、電力供給回路140を有する。また、電気機器201を構成する
他の回路を負荷211として示す。図2では、負荷211の一例としてCPU231を例
示している。また、電力供給回路140は、パワースイッチ151、パワースイッチ15
2、電圧調整回路141、及び電源スイッチ制御回路142を有する。
電圧調整回路141に供給され、配線162に供給された第2電位がパワースイッチ15
2を介して電圧調整回路141に供給される。パワースイッチ151は電圧調整回路14
1に第1電位の入力を制御する機能を有し、パワースイッチ152は電圧調整回路141
に第2電位の入力を制御する機能を有する。電源スイッチ制御回路142は、有線通信回
路212を介してサーバー120に接続され、サーバー120の制御信号に基づきパワー
スイッチ151及びパワースイッチ152のオン状態オフ状態を制御する。
す電気機器201とは別の電気機器201として、別途設けてもよい。
調整回路141と負荷211の間の一方または両方に設けることができる。また、パワー
スイッチ152は、配線162と電圧調整回路141の間、もしくは、電圧調整回路14
1と負荷211の間の一方または両方に設けることができる。
第1電位又は第2電位の一方を接地電位としてもよい。
が高いトランジスタを用いる。具体的には、上記トランジスタは、バンドギャップが単結
晶シリコンより広い半導体を活性層に用いる。例えば、バンドギャップが、1.1eVよ
り大きく、好ましくは2.5eV以上4eV以下、より好ましくは3eV以上3.8eV
以下の半導体を活性層に用いればよい。バンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体
の一例として、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを挙げることができる。この
ような材料を活性層に用いることで、ソースとドレイン間の電圧を100V以上、好まし
くは200V以上、より好ましくは500V以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の
高いトランジスタを実現することが可能となる。
が高いだけでなく、オン(導通状態)の時の抵抗(オン抵抗)が小さい。よって、トラン
ジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることができる。
ね備えた電界効果トランジスタを作製することが難しい。よって、例えば炭化珪素を用い
て4kV以上の耐電圧性を有するスイッチを形成する場合は、バイポーラトランジスタが
用いられる。しかし、バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタよりも、オンとオ
フ(非導通状態)の切り換えであるスイッチングが遅いため、オンからオフ、或いはオフ
からオンへの過渡状態にある期間が長く、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑え
ることが難しい。しかし、酸化物半導体を用いる場合、耐電圧性の高さとオン抵抗の低さ
を兼ね備えた電界効果トランジスタを比較的容易に作製することができる。よって、酸化
物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタを、パワースイッチ151及びパワース
イッチ152に用いることで、パワースイッチ151及びパワースイッチ152のスイッ
チングを高速にすることができ、それにより、スイッチングに起因する電力損失を小さく
抑えることができる。
酸化物半導体を活性層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ151T及びトランジスタ1
52Tで形成した構成例を示している。また、トランジスタ151T及びトランジスタ1
52Tのゲートは、電源スイッチ制御回路142に接続される。
よるキャリアが全く存在しない状態(真性半導体)であっても、熱励起キャリアの濃度は
1×1011cm-3程度である。それに対して、例えば、In-Ga-Zn系酸化物半
導体のバンドギャップは、3.2eV程度であり、熱励起キャリア濃度は1×10-7c
m-3程度となる。トランジスタのオフ抵抗(トランジスタがオフ状態の時における、ソ
ースとドレイン間の抵抗をいう。)は、チャネル形成領域における熱励起キャリアの濃度
に反比例するので、In-Ga-Zn系酸化物半導体のオフ時の抵抗率は、単結晶シリコ
ンと比較して18桁も大きいことになる。
温(25℃)でのオフ電流(ここでは、単位チャネル幅(1μm)あたりの値)は100
zA(1zA(ゼプトアンペア)は1×10-21A)以下、より好ましくは10zA以
下となる。
Tは、オフ電流により負荷211に電力が供給されることを防ぐことが可能となる。よっ
て、電気機器の非動作時の消費電力を低減することが可能であり、家屋100全体の消費
電力を低減することができる。
することで、負荷211側に蓄積された電荷を、負荷211の寄生容量で保持し続けるこ
とができる。そのため、再度トランジスタ151T及びトランジスタ152Tをオンにし
て電力の供給を再開した際に、動作の復帰を高速に行うことができる。
一つのトランジスタで構成されている場合を例示しているが、本発明はこの構成に限定さ
れない。パワースイッチ151もしくはパワースイッチ152の一方または両方を、複数
のトランジスタにより構成しても良い。
における電圧の調整とは、交流電圧を直流電圧に変換すること、直流電圧を交流電圧に変
換すること、電圧の大きさを変えること、電圧の大きさが一定となるように平滑化するこ
と、のいずれか一つまたは複数を含む。
路141に整流回路を設ければよい。電圧調整回路141において、直流電圧を交流電圧
へ変換する場合、電圧調整回路141にDCACインバーター回路を設ければよい。電圧
調整回路141において、電圧の大きさを変える場合、電圧調整回路141に昇圧型コン
バータまたは降圧型コンバータを設ければよい。電圧調整回路141において、電圧の大
きさを平滑化する場合、平滑回路を電圧調整回路141に設ければよい。
41は、整流回路により交流電圧を直流電圧に変換し、平滑回路により直流電圧の大きさ
が一定となるように平滑化し、降圧型コンバータにより、負荷211において必要とされ
る大きさにまで、平滑化された上記直流電圧を降圧すれば良い。電圧調整回路141にお
いて調整された電圧は、負荷211に供給される。
と、負荷211を絶縁分離する機能を有していても良い。例えば、トランスを用いること
で、電圧調整回路141に配線161及び配線162と、負荷211を絶縁分離する機能
を付与することができる。
ワースイッチ152のオン状態とオフ状態を制御する。また、サーバー120にあらかじ
め動作プログラムを記憶させておき、携帯情報端末130の命令により動作プログラムを
起動させ、動作プログラムに従ってパワースイッチ151及びパワースイッチ152のオ
ン状態とオフ状態を制御してもよい。また、サーバー120にあらかじめ動作プログラム
を記憶させておくことで、携帯情報端末130からの命令がなくても電気機器200を制
御することができる。また、電源スイッチ制御回路142に動作プログラムを記憶させ、
動作プログラムに従ってパワースイッチ151及びパワースイッチ152を動作させる構
成としてもよい。また、サーバー120は電気機器200の動作状況を携帯情報端末13
0に送信する機能も有する。
る。図1(B)に示す電気機器200は、無線通信回路213を有する。サーバー120
と電気機器200は、無線通信回路213を用いた無線通信により接続される。
3(A)及び図3(B)は、図2(A)及び図2(B)で示した構成のうち、有線通信回
路212を無線通信回路213に置き換えた構成を有する。すなわち、図3(A)及び図
3(B)では、電源スイッチ制御回路142は無線通信回路213に接続される。電源ス
イッチ制御回路142は、無線通信回路213を介してサーバー120に接続され、サー
バー120の制御信号に基づきパワースイッチ151及びパワースイッチ152のオン状
態オフ状態を制御する。
す電気機器201とは別の電気機器201として、別途設けてもよい。電気機器201を
無線LANによりサーバー120と接続することで、LANケーブルの敷設が必要なく家
屋100内のネットワーク構築や、電気機器の移動を容易とすることができる。
情報端末130と電気機器201が、サーバー120を介さず直接通信する構成とするこ
ともできる。
てもよい。例えば、可視光や赤外光などを用いた光通信を行うための通信回路を有してい
てもよい。また、複数個もしくは複数種類の通信回路を有していてもよい。
は、揮発性記憶部232と不揮発性記憶部233が含まれ、電力供給回路140からの電
力供給が停止する前に、揮発性記憶部232のデータを不揮発性記憶部233に退避させ
、電力供給が再開すると、不揮発性記憶部233のデータを揮発性記憶部232に復帰さ
せる。
の制御関連の回路なども含む。なお、揮発性記憶部232に含まれる揮発性記憶素子は、
少なくとも後述する不揮発性記憶部233に含まれる不揮発性記憶素子よりもアクセス速
度が速いものとする。
後述する不揮発性記憶素子を構成するトランジスタに用いる半導体材料とは、異なる禁制
帯幅を持つ材料とすることが好ましい。このような半導体材料としては、例えば、シリコ
ン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、またはガリウムヒ素等を用いることができ、
単結晶半導体を用いることが好ましい。データの処理速度を向上させるという観点からは
、例えば、単結晶シリコンを用いたトランジスタなど、スイッチング速度の高いトランジ
スタを適用するのが好適である。
憶素子の制御関連の回路なども含む。不揮発性記憶素子は、揮発性記憶素子のデータに対
応する電荷が保持されたノードと電気的に接続されており、電源が遮断されている間に揮
発性記憶素子のデータを退避させるために用いる。よって、不揮発性記憶部233に含ま
れる不揮発性記憶素子は、少なくとも電源が供給されていないときの上記揮発性記憶素子
よりデータの保持時間が長いものとする。
A)乃至図4(C)に示す回路図を用いて説明する。
を有しており、トランジスタ240を介して揮発性記憶部232と電気的に接続されてい
る。なお本実施の形態において、トランジスタ240は、nチャネル型トランジスタであ
るものとして説明するが、適宜pチャネル型トランジスタを用いてもよく、その場合は適
宜ゲート電極に与える電位を入れ替えて用いればよい。
232のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されている。また、
トランジスタ240のドレイン電極(またはソース電極)と、容量素子241の一方の電
極と、が電気的に接続されている(以下、当該ノードをノードM1と呼ぶ場合がある)。
また、トランジスタ240のゲート電極には、書き込み制御信号WEが与えられており、
トランジスタ240は書き込み制御信号WEの電位に応じてオン状態またはオフ状態とな
る。また、容量素子241の他方の電極には、所定の電位が与えられている。ここで、所
定の電位とは、例えば接地電位(GND)などである。このように、容量素子241を設
けることにより、ノードM1に多くの電荷を保持することができ、データの保持特性を向
上させることができる。
しい。本実施の形態では、トランジスタ240に用いるオフ電流の極めて低いトランジス
タとして、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を含むトランジスタを用いる。
を与えてトランジスタ240をオン状態とすることにより、揮発性記憶部232のデータ
に対応する電荷が保持されたノードの電位が、ノードM1に与えられる。その後、書き込
み制御信号WEの電位として低電位Lを与えてトランジスタ240をオフ状態とすること
により、ノードM1に与えられた電荷が保持される。ここで、トランジスタ240のオフ
電流は極めて低いので、ノードM1の電荷は長時間にわたって保持される。
位Hを与えてトランジスタ240をオン状態とすることにより、ノードM1の電位が、揮
発性記憶部232のデータに対応する電荷が保持されるノードに与えられる。
ランジスタ240におけるオフ電流を極めて小さくすることができる。よって、トランジ
スタ240をオフ状態とすることで、ノードM1の電位を極めて長時間にわたって保持す
ることが可能である。このような構成とすることにより、不揮発性記憶部233を電源の
供給なしでデータを保持することができる不揮発型の記憶素子として用いることができる
。
さらにトランジスタ242を設けた構成としても良い。トランジスタ242は、ゲート電
極とノードM1とが電気的に接続されており、ドレイン電極(またはソース電極)と揮発
性記憶部232のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されており
、ソース電極(またはドレイン電極)に所定の電位が与えられている。
た電位に応じてトランジスタ242の状態が異なる。すなわち、上記データの退避で高電
位Hが与えられた場合には、トランジスタ242が「オン状態」となり、低電位Lが与え
られた場合には、トランジスタ242が「オフ状態」となる。
32のデータに対応する電荷が保持されるノードに与えられる。すなわち、上記データの
退避でノードM1に高電位Hが与えられた場合には、トランジスタ242が「オン状態」
となっておりトランジスタ242のソース電極の電位が揮発性記憶部232に与えられる
。また、上記データの退避でノードM1に低電位Lが与えられた場合には、トランジスタ
242が「オフ状態」となっておりトランジスタ242のソース電極の電位は揮発性記憶
部232に与えられない。
揮発性記憶素子に用いたトランジスタと同様のトランジスタを用いることが好ましい。
しても良いし、異なる電位としても良い。トランジスタ242のソース電極と容量素子2
41の他方の電極とが電気的に接続されている構成としても良い。また、容量素子241
は必ずしも設ける必要はなく、例えば、トランジスタ242の寄生容量が大きい場合は、
当該寄生容量で容量素子241の代替とすることができる。
なわちノードM1は、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トラ
ンジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。しかしながら、トランジスタ2
40のオン・オフで直接的にデータの書き換えを行うことができるので、高電圧を用いて
のフローティングゲート内への電荷の注入およびフローティングゲートからの電荷の引き
抜きが不要である。つまり、不揮発性記憶部233では、従来のフローティングゲート型
トランジスタにおいて書き込みや消去の際に必要であった高電圧が不要である。よって、
本実施の形態に記載の不揮発性記憶部233を用いることにより、データの退避の際に必
要な消費電力の低減を図ることができる。
制することができるので、不揮発性記憶部233の動作の高速化が実現される。また同様
の理由により、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲー
ト絶縁膜(トンネル絶縁膜)の劣化という問題が存在しない。つまり、本実施の形態に記
載の不揮発性記憶部233は、従来のフローティングゲート型トランジスタと異なり、原
理的な書き込み回数の制限が存在しないことを意味する。以上により、不揮発性記憶部2
33は、レジスタなどの多くの書き換え回数や高速動作を要求される記憶装置としても十
分に用いることができる。
さらにトランジスタ243を設けた構成としても良い。トランジスタ243は、ゲート電
極に読み出し制御信号RDが与えられており、ドレイン電極(またはソース電極)と揮発
性記憶部232のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されており
、ソース電極(またはドレイン電極)とトランジスタ242のドレイン電極とが電気的に
接続されている。
ト電極に高電位Hを与える信号であり、このときにトランジスタ243をオン状態とする
ことができる。これにより、データの復帰を行う際にトランジスタ242のオン状態また
はオフ状態に応じた電位を、揮発性記憶部232のデータに対応する電荷が保持されるノ
ードに与えることができる。
揮発性記憶素子に用いたトランジスタと同様のトランジスタを用いることが好ましい。
持可能な、不揮発性を有するレジスタの回路構成の一例を示す。なお、図5において、図
4(C)に示す構成と対応するものについては、同符号を用いる。
、セレクタ245と、を含む。なお、図5に示すレジスタは、図4(C)に示す揮発性記
憶部232をフリップフロップ248としたものである。
号Dが与えられる。フリップフロップ248は、クロック信号CLKに従って入力される
データ信号Dのデータを保持し、データ信号Qとして出力する機能を有する。
信号Qが与えられる。
ータを記憶し、読み出し制御信号RDに従って、記憶されたデータを出力する機能を有す
る。
233から出力されるデータ信号を選択して、フリップフロップ248に入力する。
1が設けられている。
電極及びドレイン電極の一方は、フリップフロップ248の出力端子に電気的に接続され
ている。トランジスタ240は、書き込み制御信号WEに従ってフリップフロップ248
から出力されるデータ信号の保持を制御する機能を有する。
導体を有するトランジスタを用いることができる。
の他方に電気的に接続されている(以下、当該ノードをノードM1と呼ぶ場合がある)。
また、容量素子241の一対の電極の他方には低電位Lが与えられる。容量素子241は
、記憶するデータ信号Qのデータに基づく電荷をノードM1に保持する機能を有する。ト
ランジスタ240のオフ電流が極めて小さいため、電源電圧の供給が停止してもノードM
1の電荷は保持され、データが保持される。
電極及びドレイン電極の一方には高電位Hが与えられ、ゲート電極には、読み出し制御信
号が入力される。ここで、高電位Hとは、低電位Lよりも高い電位を示す。また、低電位
Lとは、高電位Hよりも低い電位を示す。また、接地電位を高電位Hまたは低電位Lとし
て用いることもできる。例えば高電位Hが接地電位の場合には、低電位Lは接地電位より
低い電位であり、低電位Lが接地電位の場合には、高電位Hは接地電位より高い電位であ
る。
電極及びドレイン電極の一方は、トランジスタ244のソース電極及びドレイン電極の他
方に電気的に接続されている(以下、当該ノードをノードM1と呼ぶ場合がある)。また
、トランジスタ243のゲート電極には、読み出し制御信号RDが入力される。
電極及びドレイン電極の一方は、トランジスタ243のソース電極及びドレイン電極の他
方に電気的に接続されており、ソース電極及びドレイン電極の他方には、低電位Lが与え
られる。
方に電気的に接続されている。また、インバータ246の出力端子は、セレクタ245の
入力端子に電気的に接続される。
他方には低電位Lが与えられる。容量素子247は、インバータ246に入力されるデー
タ信号のデータに基づく電荷を保持する機能を有する。
退避を行う際は、書き込み制御信号WEとして高電位Hを与えてトランジスタ240をオ
ン状態とすることにより、フリップフロップ248のデータ信号Qのデータに基づく電荷
が、ノードM1に与えられる。その後、書き込み制御信号WEの電位として低電位Lを与
えてトランジスタ240をオフ状態とすることにより、ノードM1に与えられた電荷が保
持される。また、読み出し制御信号RDの電位として低電位Lが与えられている間は、ト
ランジスタ243がオフ状態、トランジスタ244がオン状態となり、ノードM2の電位
は高電位Hになる。
位Hを与えてトランジスタ244がオフ状態、トランジスタ243がオン状態となり、ノ
ードM1に保持された電荷に応じた電位がノードM2に与えられる。ノードM1にデータ
信号Qの高電位Hに対応する電荷が保持されている場合、トランジスタ242がオン状態
であり、ノードM2に低電位Lが与えられ、インバータ246を介して高電位Hがフリッ
プフロップ248に戻される。また、ノードM1にデータ信号Qの低電位Lに対応する電
荷が保持されている場合、トランジスタ242がオフ状態であり、読み出し制御信号RD
の電位として低電位Lが与えられていたときのノードM2の高電位Hが保持されており、
インバータ246を介して低電位Lがフリップフロップ248に戻される。
により、CPU231への電源供給が遮断される前に、揮発性記憶部232から不揮発性
記憶部233にデータを退避させることができ、CPU231への電源供給が再開された
ときに、不揮発性記憶部233から揮発性記憶部232にデータを素早く復帰させること
ができる。
性記憶部232が初期化された状態からCPU231を起動し直す必要がなくなるので、
電源供給の再開後CPU231は速やかに測定に係る演算処理を開始することができる。
ではない。例えば、相変化メモリ(PCM:Phase Change Memory)
、抵抗変化型メモリ(ReRAM:Resistance Random Access
Memory)、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetoresistive R
andom Access Memory)、強誘電体メモリ(FeRAM:Ferro
electric Random Access Memory)、フラッシュメモリな
どを用いることができる。
や、汎用レジスタなどのレジスタを構成することができる。また、揮発性記憶部232に
SRAM(Static Random Access Memory)などからなるキ
ャッシュメモリを設けることもできる。これらのレジスタやキャッシュメモリは上記の不
揮発性記憶部233にデータを退避させることができる。
本実施の形態では、電気機器200の具体例について、図6及び図7を用いて説明する。
図6に示す家屋100は、複数の電気機器200を有している。本実施の形態では、電気
機器200として照明装置101、空調装置102、電話機103、冷蔵庫104、オー
ブンレンジ105、食器洗浄機106、洗濯機107、コンピュータ108、オーディオ
109、テレビジョン110、自走式掃除機111、充電ステーション112、浴室11
3、浴室制御装置114、撮像装置115、録画装置116を例示している。
を介してサーバー120に接続する。サーバー120は有線LAN125を介して他の電
気機器200と通信することにより、個々の電気機器200の動作を制御し、また、個々
の電気機器200の動作状況を把握する機能を有する。また、サーバー120は、電話回
線やインターネット回線などの電気通信回線を介して携帯情報端末130と接続し、携帯
情報端末130と情報を送受信する機能を有する。また、携帯情報端末130は、電気通
信回線を介してサーバー120を遠隔操作することができる。よって、携帯情報端末13
0は、サーバー120を介して、電気機器200を遠隔操作することができる。
を適用することができる。また、PLC(Power Line Communicat
ion)を用いてもよい。PLCを用いると、家屋100内の電源線をLANケーブルと
して用いるため、新たにLANケーブルを敷設する必要がなく、家屋100内のネットワ
ーク構築を容易とすることができる。
を動作させることができる。例えば、外出先から携帯情報端末130を用いて、サーバー
120を介して浴室制御装置114に接続し、浴室制御装置114を動作させることで帰
宅後すぐに浴室113を入浴可能な状態とすることができる。
情報端末130を用いて、サーバー120を介してオーブンレンジ105に接続し、オー
ブンレンジ105への電力供給を停止させることができる。よって、火災等の災害を未然
に防ぐことができる。
像装置115を動作させ、家屋100内の様子を確認することができる。なお、撮像装置
115を家屋100外に設置し、屋外の様子を確認することも可能である。撮像装置11
5で得られた映像は、電気機器200のうち、撮像装置115、サーバー120、録画装
置116、またはコンピュータ108などの録画機能を有する電気機器200に記録する
ことができる。また、撮像装置115で得られた映像を携帯情報端末130に転送し、携
帯情報端末130でその映像を確認することもできる。また、撮像装置115に集音機能
を付与してもよい。集音された音声は、録音機能を有する電気機器200に記録すること
ができる。また、集音された音声を携帯情報端末130に転送し、携帯情報端末130で
その音声を確認することもできる。
させることができる。自走式掃除機111は充電池や容量素子などの蓄電装置、モーター
、吸引装置、センサーなどを有し、センサーから得られた情報をもとに設定された動作プ
ログラムに従って、自動で清掃を行うことができる。携帯情報端末130から自走式掃除
機111への動作命令は、充電ステーション112を介して自走式掃除機111に伝えら
れる。なお、充電ステーション112を介さずに自走式掃除機111へ伝える構成として
もよい。
Identification)タグを有し、アクティブ型RFIDタグにより充電ステ
ーション112に位置情報を送受信することができる。清掃終了後、または、清掃中に蓄
電装置の蓄電容量が一定値以下に低下した場合、自走式掃除機111は充電ステーション
112に戻り、充電ステーション112から自走式掃除機111の蓄電装置へ電力供給が
行われる。電力供給は、充電ステーション112が有する電力供給装置と自走式掃除機1
11が有する蓄電装置を直接接続して行っても良いし、電界結合方式、電磁誘導方式、共
鳴方式などを用いた非接触のワイヤレス給電により行ってもよい。また共鳴方式のワイヤ
レス給電を用いると、自走式掃除機111と充電ステーション112が近接していなくて
も電力供給が可能となり、例えば、自走式掃除機111の清掃動作中に電力供給を行うこ
とができる。
電によりの電力供給を行う場合の、自走式掃除機111の構成例について図8を用いて説
明しておく。図8に示す自走式掃除機111は、電力供給回路140、蓄電装置214、
通信回路215、電圧検出回路216を有する。また、自走式掃除機111を構成する他
の回路を負荷211として示す。通信回路215は、前述したアクティブ型RFIDタグ
による通信以外にも、光通信や超音波通信などを用いた通信回路を用いることができる。
22を情報通信用のアンテナとして用いて、自走式掃除機111と充電ステーション11
2の通信を行うこともできる。
、電力供給のために電力放射回路221から放射される交流電力の周波数と異なる周波数
を用いることで、電力供給中に受電アンテナ153と送電アンテナ222を介して通信を
行うことができる。具体的には、電力供給に用いる周波数に、電力供給に比べて十分小さ
い電力の通信用信号を重畳させて、自走式掃除機111と充電ステーション112間の通
信を行う。
させることで交流電力の振幅を変化させ、自走式掃除機111と充電ステーション112
間の通信を行うこともできる。
41、パワースイッチ151、パワースイッチ152、受電アンテナ153、容量素子1
54を有する。
、受電アンテナ153のインダクタンスLと、容量素子154のコンダクタンスCの組み
合わせにより決定される共振周波数を一致させることで、ファラデーの電磁誘導の法則に
より受電アンテナ153に誘導起電力を生じさせ、充電ステーション112から自走式掃
除機111への電力供給を実現することができる。
えばサブミリ波である300GHz~3THz、ミリ波である30GHz~300GHz
、マイクロ波である3GHz~30GHz、極超短波である300MHz~3GHz、超
短波である30MHz~300MHz、短波である3MHz~30MHz、中波である3
00kHz~3MHz、長波である30kHz~300kHz、及び超長波である3kH
z~30kHzのいずれかを用いることができる。
、パワースイッチ152を介して蓄電装置214に充電される。蓄電装置214の充電状
況は電圧検出回路216により検出される。電圧検出回路216と電源スイッチ制御回路
142は接続されている。電圧検出回路216は、蓄電装置214が過充電とならないよ
うに、電源スイッチ制御回路142を介してパワースイッチ151及びパワースイッチ1
52のオン状態とオフ状態を制御する。電圧検出回路216と通信回路215は接続され
ている。蓄電装置214は、負荷211、電圧検出回路216、通信回路215などの、
自走式掃除機111を構成する回路に電力を供給する。また、自走式掃除機111は、通
信回路215を介して充電ステーション112と情報を送受信することができる。図8(
B)は、図8(A)に示したパワースイッチ151及びパワースイッチ152を、酸化物
半導体を活性層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ151T及びトランジスタ152T
で形成した構成例を示している。
N125を無線LANとした点が異なる。図7に示す電気機器200は、それぞれが無線
通信回路213を有する。サーバー120と電気機器200は、無線通信回路213を用
いた無線通信により接続される。また、電気機器200は、それぞれを識別するため固有
のIPアドレスが付与される。また、電気機器200ごとにRFIDタグを設けてもよい
。
b、IEEE802.11g、IEEE802.11n、IEEE802.15.1など
を用いることができる。
してもよい。暗号化規格として、AES(Advanced Encryption S
tandard)方式、TKIP(Temporal Key Integrity P
rotocol)方式、WEP(Wired Equivalent Privacy)
方式などを用いることができる。
バー120も電気機器200の一種として考えることもできる。
本実施の形態では、上記実施の形態に開示したパワースイッチ151及びパワースイッチ
152に適用可能なトランジスタの構造及び作製方法について、図9を用いて説明する。
タ300の上面図である。図9(B)は、図9(A)中にA1-A2の二点破線で示した
部位の積層構成を示す断面図である。なお、図をわかりやすくするため、図9(A)では
一部の構成要素の記載を省略している。
れた半導体基板303をバックゲート電極とし、半導体基板303上に絶縁層302が設
けられ、絶縁層302上にバッファ層305が設けられ、バッファ層305上に結晶構造
を有する酸化物半導体層307が設けられている。なお、バックゲート電極は、ゲート電
極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置され、ゲート電極
と同様に機能させることができる。また、バックゲート電極の電位を変化させることで、
トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
の端子311が設けられ、酸化物半導体層307、第1の端子309、及び第2の端子3
11を覆って絶縁層313が設けられている。また、絶縁層313上に、酸化物半導体層
307、第1の端子309、及び第2の端子311それぞれの少なくとも一部に重畳して
、導電層でなるゲート電極315が設けられている。
性を有していることが必要となる。半導体基板303としては、単結晶シリコン基板、S
iC基板、GaN基板、GaAs基板などを用いる。また、半導体基板303としてシリ
コンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板を用いてもよい。本実施の形態で
は、半導体基板303として単結晶シリコン基板を用いる。
VD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタリング法な
どで得られる酸化シリコン、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶
縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することが
できる。また、絶縁層302を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層と
してもよいし、異なる材料の積層としてもよい。なお、「窒化酸化」とは、その組成とし
て、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいい、「酸化窒化」とは、その組成として、窒
素よりも酸素の含有量が多いものをいう。
もよい。ただし、窒化シリコンを用いる場合には、形成後の熱処理によって水素又は水素
化合物がほとんど放出されない窒化シリコン、例えば、供給ガスをシラン(SiH4)、
窒素(N2)及びアンモニア(NH3)の混合ガスとして形成された窒化シリコンを用い
ることが好ましい。本実施の形態では、絶縁層302として熱酸化により形成する酸化シ
リコンを用いる。
303と酸化物半導体層307との間にバッファ層305を設ける。また、半導体基板3
03表面に形成した絶縁層302と酸化物半導体層307との間にバッファ層305を設
ける。
ットリウム、酸化アルミニウムなどを単層または積層して形成することができる。また、
バッファ層305は、後にバッファ層305に接して形成される酸化物半導体層307と
同種の成分を含む材料を用いると好ましい。このような材料は酸化物半導体との相性が良
く、これを酸化物半導体と接する層に用いることで、半導体層と該層の界面状態を良好に
保つことができる。ここで、「酸化物半導体と同種の成分」とは、酸化物半導体の構成元
素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体層3
07がIn-Ga-Zn系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分を含
む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウムや酸化ガリウム亜鉛、酸化インジウムガリウ
ムなどがある。
る酸化物半導体層307と同種の成分でなる絶縁材料で形成された層aと、層aと異なる
材料を含む層bとの積層構造としてもよい。また、バッファ層305の他の材料として、
In:Ga:Zn=1:3:2の原子数比のターゲットを用いて成膜されるIn-Ga-
Zn系酸化物膜を用いてもよい。
、Hf、Zn、Mg、Snなど)を含む酸化物、例えば二元系金属の酸化物であるIn-
Zn系酸化物、In-Mg系酸化物、In-Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるI
n-Ga-Zn系酸化物(IGZOとも表記する。)、In-Sn-Zn系酸化物、In
-Hf-Zn系酸化物、In-La-Zn系酸化物、In-Ce-Zn系酸化物、In-
Pr-Zn系酸化物、In-Nd-Zn系酸化物、In-Sm-Zn系酸化物、In-E
u-Zn系酸化物、In-Gd-Zn系酸化物、In-Tb-Zn系酸化物、In-Dy
-Zn系酸化物、In-Ho-Zn系酸化物、In-Er-Zn系酸化物、In-Tm-
Zn系酸化物、In-Yb-Zn系酸化物、In-Lu-Zn系酸化物、四元系金属の酸
化物であるIn-Sn-Ga-Zn系酸化物、In-Hf-Ga-Zn系酸化物、In-
Sn-Hf-Zn系酸化物などを用いることができる。
の積層としてもよい。酸化物半導体層307として組成の異なる層の積層を用いても、一
方の層が結晶の核となり、もう一方の層の結晶化を助長させる。例えば、In:Ga:Z
n=3:1:2の原子数比のターゲットを用いて形成されるIn-Ga-Zn系酸化物上
にIn:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用いて形成されるIn-Ga
-Zn系酸化物を積層する2層構造としてもよい。この2層構造に加熱処理を行うと2層
ともに結晶性の高い膜となり、同一の結晶構造、即ちCAAC-OS(C Axis A
ligned Crystalline Oxide Semiconductor)の
積層となる。また、In:Ga:Zn=1:1:1の原子数比のターゲットを用いて形成
されるIn-Ga-Zn系酸化物上にIn:Ga:Zn=3:1:2の原子数比のターゲ
ットを用いて成膜されるIn-Ga-Zn系酸化物を形成し、その上にIn:Ga:Zn
=1:1:1の原子数比のターゲットを用いて成膜されるIn-Ga-Zn系酸化物を積
層する3層構造としてもよい。
単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化
物半導体膜、CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline
Oxide Semiconductor)膜などをいう。
化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の
酸化物半導体膜が典型である。
ともいう。)を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原
子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜より
も欠陥準位密度が低いという特徴がある。
晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC-O
S膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm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。CAAC-OS膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠
陥準位密度が低いという特徴がある。以下、CAAC-OS膜について詳細な説明を行う
。
ron Microscope)によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、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、CA
AC-OS膜は、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。
)すると、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膜の膜を形成する面(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膜の被形成面または上面と平行に配列する。
M観察)すると、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。
いることがわかる。
CAAC-OS膜を構成する個々の結晶部分のc軸は一定の方向(例えば、CAAC-O
S膜が形成される基板面、CAAC-OS膜の表面などに垂直な方向)に揃っていてもよ
い。または、CAAC-OS膜を構成する個々の結晶部分のab面の法線は一定の方向(
例えば、CAAC-OS膜が形成される基板面、CAAC-OS膜の表面などに垂直な方
向)を向いていてもよい。
異なっていてもよい。本明細書において、「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。従って、85°以上95°以下の場合も含ま
れる。また、「平行」とは、二つの直線が-10°以上10°以下の角度で配置されてい
る状態をいう。従って、-5°以上5°以下の場合も含まれる。
置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膜
のout-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(009)面に帰属される
ことから、CAAC-OS膜の結晶が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。
ane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(110)面に帰属される。InGaZnO4の単結晶酸化
物半導体膜であれば、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、(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。これに対し、CAAC-OS膜の場合は、2θを5
6°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。
規則であるが、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。従って、前述の断面TEM観察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。
った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC-OS膜の被形成面また
は上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC-OS膜の形
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膜の被形成面
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。
の結晶部が、CAAC-OS膜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結晶化度が高くなることがある。また、CAA
C-OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分
的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
による解析では、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膜中の一部に、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膜は、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。
が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
AC-OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
能する半導体基板303に負の電圧が印加されたときに、空乏層がチャネル領域に広がり
、トランジスタ300をオフ状態とすることが可能な厚さとする。
ン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合
金、または上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。ま
た、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選
択された金属元素を用いてもよい。また、第1の端子309及び第2の端子311は、単
層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム層
の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造、窒化チタン層上にチタン
層を積層する二層構造、窒化チタン層上にタングステン層を積層する二層構造、窒化タン
タル層上にタングステン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上にアルミニ
ウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造などがある。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジ
ウムから選ばれた元素の層、または複数組み合わせた合金層、もしくは窒化物層を用いて
もよい。
ンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタン
を含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物
、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用する
こともできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とする
こともできる。
化アルミニウムなどの酸化絶縁物、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化
窒化絶縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成する
ことができる。また、絶縁層313を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の
積層としてもよいし、異なる材料の積層としてもよい。なお、絶縁層313と酸化物半導
体層307の間に第2のバッファ層を設けてもよい。第2のバッファ層は、バッファ層3
05に用いることのできる材料を適宜用いることができる。
Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ネオジム(Nd)
、スカンジウム(Sc)から選ばれた金属材料、上述した金属元素を成分とする合金材料
、上述した金属元素の窒化物材料などを用いて形成することができる。また、マンガン(
Mn)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム(Zr)、ベリリウム(Be)のいずれか
一または複数から選択された金属元素を含む材料用いてもよい。また、リン等の不純物元
素を含有させた多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイ
ドを用いてもよい。
シリコンを含むアルミニウムを用いた単層構造、アルミニウム上にチタンを積層する二層
構造、窒化チタン上にチタンを積層する二層構造、窒化チタン上にタングステンを積層す
る二層構造、窒化タンタル上にタングステンを積層する二層構造、Cu-Mg-Al合金
上に銅を積層する二層構造、窒化チタン上に銅を積層し、さらにその上にタングステンを
形成する三層構造、タングステン上に銅を積層し、さらにその上に窒化タンタルを形成す
る三層構造などがある。ゲート電極315に銅を用いることにより、ゲート電極315及
びゲート電極315と同じ層で形成される配線の配線抵抗を低減することができる。また
、銅を、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属や、該金属の窒化物と積
層することで、銅の他の層への拡散を防止できる。
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加し
たインジウム錫酸化物などの酸素を含む導電性材料を適用することもできる。また、上記
酸素を含む導電性材料と、上記金属元素を含む材料の積層構造とすることもできる。
7を用いるため、耐電圧性が高く、オン抵抗を低減することが可能であり、大電流を流す
ことが可能である。
は、塩化水素と酸素を用いた熱酸化により、半導体基板303表面を酸化させて形成する
。または、μ波(例えば、周波数2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDにより
、緻密で絶縁破壊が生じにくく、高品質な絶縁層302を形成してもよい。
ァ層305を形成する。バッファ層305は、半導体基板303または絶縁層302に含
まれる不純物の拡散をブロックできる材料、代表的にはガリウムを含む材料を用いる。
化により形成された酸化シリコンである。本実施の形態では、絶縁層302と酸化物半導
体層307の間にバッファ層305を設けるため、熱酸化により絶縁層302を形成する
際に塩化水素を用いても、絶縁層302に含まれた塩素の拡散をバッファ層305によっ
て防ぐことができる。また、酸化シリコンで形成された絶縁層302上に直接酸化物半導
体層をスパッタリング法によって形成すると、スパッタリング時に絶縁層302中のシリ
コンが酸化物半導体層中に混入する恐れがあるが、バッファ層305により、酸化物半導
体層中にシリコンが混入することを防止できる。酸化物半導体層中にシリコンなどの不純
物が混入すると、結晶化が阻害されるため、できるだけ混入することを回避することが好
ましい。
形成直後に結晶構造を有する酸化物半導体層307とすることが好ましい。具体的には、
基板温度を100℃以上740℃以下、好ましくは200℃以上500℃以下として形成
する。
リング粒子が飛翔して基板上にそのスパッタリング粒子がはりつくようにして形成され、
且つ、基板が加熱されているため、再配列し高密度な酸化物半導体層となる。
てもよい。ただし、酸化物半導体層中の不純物元素(水素や、水など)が低減される際に
酸素欠損が生じる恐れがあるため、加熱処理を行う前に、酸化物半導体層上または酸化物
半導体層下に酸素過剰の絶縁層を設けておくことが好ましく、加熱処理によって酸化物半
導体膜中の酸素欠損を低減することができる。
℃以上の加熱を行ってもピーリングなどの発生を抑えることができる。なお、酸化物半導
体層は形成直後に非晶質構造であっても、後に加熱処理を行って、結晶構造を有する酸化
物半導体層としてもよい。
崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物(水素、水、二酸化炭素お
よび窒素など)を低減すればよい。また、スパッタリングガス中の不純物を低減すればよ
い。具体的には、露点が-80℃以下、好ましくは-100℃以下であるスパッタリング
ガスを用いる。
時の被形成面へのプラズマダメージを軽減することが好ましい。スパッタリングガス中の
酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体積%とする。
トについて説明しておく。In-Ga-Zn系酸化物ターゲットは、InOX粉末、Ga
OY粉末およびZnOZ粉末を所定の比率で混合し、加圧処理後、1000℃以上150
0℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn-Ga-Zn系酸化物ターゲッ
トを作製することができる。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで、所定の
比率は、例えば、InOX粉末、GaOY粉末およびZnOZ粉末が、2:2:1、8:
4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2のmol数比である。な
お、粉末の種類、およびその混合する比率は、作製するスパッタリング用ターゲットによ
って適宜変更すればよい。
下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で900℃以上15
00℃以下の加熱処理を行う。また、900℃以上1500℃以下の加熱処理を行うこと
で酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの密度と、酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレ
ベルの結晶性を得ることができる。
されるIn-Ga-Zn系酸化物を用い、基板温度を400℃として、CAAC-OSを
形成した後、950℃の加熱処理を行う。熱処理後においても、酸化物半導体層307は
、c軸が酸化物半導体層の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方
向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、
c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列して
いる。
を形成すると、クリーンルーム雰囲気に含まれるボロンがバッファ層305と酸化物半導
体層の界面に混入する恐れがある。従って、バッファ層305を形成した後、大気に触れ
ることなく酸化物半導体層を成膜することが好ましい。どちらもスパッタリング法で形成
することができ、ターゲットを変更するだけで連続的に成膜することができる。
レジストをマスクとして酸化物半導体層をエッチングして、島状の酸化物半導体層307
を形成する。島状の酸化物半導体層307の側面はテーパー形状となるようにする。なお
、結晶構造を有する酸化物半導体層307の側面と半導体基板平面がなすテーパー角は、
10°以上70°以下とする。
成する工程をフォトリソグラフィ工程というが、一般にレジストマスク形成後には、エッ
チング工程とレジストマスクの剥離工程が行われることが多い。このため、本明細書等に
おいては、特段の説明が無い限り、フォトリソグラフィ工程には、レジストマスクの形成
工程と、導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程が含まれて
いるものとする。
層を形成し、フォトリソグラフィ工程を用いて、ソース電極として機能する第1の端子3
09、ドレイン電極として機能する第2の端子311、及びこれらと同じ層で形成される
配線または電極を形成する。また、第1の端子309、及び第2の端子311は、印刷法
、インクジェット法等を用いて形成すれば、工程数を削減することができる。
13を形成する。本実施の形態では、絶縁層313として酸化シリコンを用いる。
ング法、CVD法、蒸着法等により導電層を形成した後、フォトリソグラフィ工程により
、ゲート電極315、及びこれと同じ層で形成される配線または電極を形成することがで
きる。本実施の形態では、ゲート電極315を形成するための導電層として、窒化タンタ
ルとタングステンの積層を用いる。
るトランジスタ300を作製することができる。そして最後に、トランジスタ300を放
熱板301に固定する。
例えば図11に示す斜視図のように、複数のトランジスタ300が設けられた放熱板30
1を筐体330に固定し、放熱板301を筐体330から外部に延設しておけばよい。
D、端子Gを有する構成にできる。例えば、端子Sはトランジスタ300の第1の端子3
09に接続され、端子Dは第2の端子311に接続され、端子Gはゲート電極315に接
続される。また、例えば、放熱板301と端子Sを接続し、放熱板301を端子Sとして
用いることもできる。
断面構成の一例を示す。
素を含み、結晶構造を有する酸化物半導体層である。第1の端子309と酸化物半導体層
307の間、及び第2の端子311と酸化物半導体層307の間にn型領域321を形成
することで、接触抵抗を低減している。
05を形成した後の工程を説明する。結晶構造を有する酸化物半導体層を形成した後、プ
ラズマ処理またはイオン注入法によりリン、ボロン、または窒素などの不純物元素を酸化
物半導体層の表面近傍に添加する。上記不純物元素を添加した領域は非晶質領域となりや
すい。なお、上記不純物元素を添加した領域の下方に結晶部を残存させておくことが好ま
しい。上記不純物元素を添加した後、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、また
は窒素と酸素の混合雰囲気下で900℃以上1500℃以下の加熱処理を行う。この加熱
処理によって上記不純物元素を添加した領域を結晶化させることができる。
レジストを形成し、該レジストをマスクとして酸化物半導体層をエッチングして、島状の
酸化物半導体層を形成する。
トリソグラフィ工程により導電層を選択的にエッチングして第1の端子309及び第2の
端子311を形成する。そして、第1の端子309及び第2の端子311をマスクとして
上記不純物元素を添加した領域を選択的に除去する。こうして、第1の端子309及び第
2の端子311の下方にn型領域321を形成することができる。
13を形成する。
ンジスタ320を作製することができる。そして最後に、トランジスタ320を放熱板3
01に固定する。
本実施の形態では、不揮発性記憶部233に適用可能な半導体装置の構成例について説明
する。
に、半導体装置の断面図を、図12(B)に半導体装置の平面図を、図12(C)に半導
体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図12(A)は、図12(B)のC1-C2、
及びD1-D2の二点破線で示した部位の積層構成を示す断面図である。なお、図をわか
りやすくするため、図12(B)では、一部の構成要素の記載を省略している。
ランジスタ460を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ462と容量素
子464を有する。本実施の形態では、第1の半導体材料として単結晶シリコンを用い、
第2の半導体材料として酸化物半導体を用いる例について説明する。
242に相当し、トランジスタ462は、上記実施の形態に示したトランジスタ240に
相当し、容量素子464は、上記実施の形態に示した容量素子241に相当する。また、
トランジスタ462は、上記実施の形態に示したトランジスタ300やトランジスタ32
0と同様の構造及び作製方法を適用することができる。
るが、pチャネル型トランジスタを用いることが可能なことはいうまでもない。また、ト
ランジスタの具体的な構成は、ここで開示するものに限定する必要はない。
コン)を含む基板485に設けられたチャネル形成領域416と、チャネル形成領域41
6を挟むように設けられた不純物領域420と、不純物領域420に接する金属間化合物
領域424と、チャネル形成領域416上に設けられたゲート絶縁層408と、ゲート絶
縁層408上に設けられたゲート電極410と、を有する。なお、図において、明示的に
はソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めて
トランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するた
めに、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがあ
る。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
図示せず)と分離されている。素子分離領域406は、LOCOS(Local Oxi
dation of Silicon)法またはSTI(Shallow Trench
Isolation)法等を用いて形成することができる。また、トランジスタ460
を覆うように絶縁層428、及び絶縁層430が設けられている。なお、トランジスタ4
60において、ゲート電極410の側面に側壁絶縁層(サイドウォール絶縁層)を設け、
不純物領域420に不純物濃度が異なる領域を設けてもよい。
ランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行
うことができる。本実施の形態では、トランジスタ462および容量素子464の形成前
の処理として、絶縁層428、絶縁層430にCMP処理を施し、平坦化された絶縁層4
28、絶縁層430としている。この時、同時にゲート電極410の上面を露出させる。
ミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン
、窒化酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。絶縁層428、絶縁
層430は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
ともできる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low-k材料)等を用いること
もできる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層
428、絶縁層430を形成してもよい。
を用いる。
処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理(例えばCMP処理)により十
分に平坦化した(好ましくは絶縁層430表面の平均面粗さは0.15nm以下)絶縁層
430上に酸化物半導体層444を形成する。
体を用いたトランジスタである。よって、トランジスタ462は、オフ電流が極めて小さ
く、これを用いることにより長期にわたりデータ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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導
体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
機能する電極442a及び電極442b、ゲート絶縁層446、ゲート電極448を有す
る。また、電極442aは、トランジスタ460のゲート電極410に接続する。
0は、プラズマCVD法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン、酸化アルミニ
ウムなどの酸化絶縁物、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化絶縁物、酸化窒化シ
リコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化
絶縁物などを単層または積層して形成することができる。また、絶縁層450を上記材料
の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよいし、異なる材料の積層として
もよい。本実施の形態では、絶縁層450として酸化窒化シリコン上に窒化シリコンを積
層した絶縁層を用いる。
法で形成することができる。本実施の形態では、絶縁層435として酸化窒化シリコンを
形成し、絶縁層435の表面をCMP処理により平坦化する。
3が設けられており、電極442a、ゲート絶縁層446、絶縁層450、絶縁層435
、電極453によって、容量素子464が構成される。すなわち、トランジスタ462の
電極442aは、容量素子464の一方の電極として機能し、電極453は、容量素子4
64の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子464を設け
ない構成とすることもできる。また、容量素子464は、別途、トランジスタ462の上
方に設けてもよい。
る。電極456は、絶縁層435、絶縁層450及びゲート絶縁層446に形成された開
口を介して電極442bと接続されている。また、電極453および電極456上に絶縁
層452が設けられている。絶縁層452上にさらに配線や絶縁層を設けてもよい。
て行ってもよいし、電極442bと電極456の間に電極を設け、該電極を介して行って
もよい。また、間に介する電極は、複数であってもよい。
電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ460の
ドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line)と
トランジスタ462のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第
4の配線(4th Line)と、トランジスタ462のゲート電極とは、電気的に接続
されている。そして、トランジスタ460のゲート電極と、トランジスタ462のソース
電極またはドレイン電極の他方と、容量素子464の一方の電極はノードNDと電気的に
接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子464の電極の他方は電気的に
接続されている。なお、本実施の形態におけるノードNDは、上記実施の形態におけるノ
ードM1に相当する。
み出しが可能である。トランジスタ462のオフ電流は極めて小さいため、ノードNDの
電荷は長時間にわたって保持される。
の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたりノードNDにデータ
(電荷)を保持することが可能である。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、消費電力を十分に
低減することができる。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
とが望ましい)であっても、長期にわたってノードNDの電荷を保持することが可能であ
る。
子の劣化の問題もない。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う必要がないため、
ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体
装置では、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する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の
書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
である。
101 照明装置
102 空調装置
103 電話機
104 冷蔵庫
105 オーブンレンジ
106 食器洗浄機
107 洗濯機
108 コンピュータ
109 オーディオ
110 テレビジョン
111 自走式掃除機
112 充電ステーション
113 浴室
114 浴室制御装置
115 撮像装置
116 録画装置
120 サーバー
121 通信回路
122 コントローラー
125 有線LAN
130 携帯情報端末
140 電力供給回路
141 電圧調整回路
142 電源スイッチ制御回路
151 パワースイッチ
152 パワースイッチ
153 受電アンテナ
154 容量素子
161 配線
162 配線
200 電気機器
211 負荷
212 有線通信回路
213 無線通信回路
214 蓄電装置
215 通信回路
216 電圧検出回路
221 電力放射回路
222 送電アンテナ
231 CPU
232 揮発性記憶部
233 不揮発性記憶部
240 トランジスタ
241 容量素子
242 トランジスタ
243 トランジスタ
244 トランジスタ
245 セレクタ
246 インバータ
247 容量素子
248 フリップフロップ
300 トランジスタ
301 放熱板
302 絶縁層
303 半導体基板
305 バッファ層
307 酸化物半導体層
309 端子
311 端子
313 絶縁層
315 ゲート電極
320 トランジスタ
321 n型領域
330 筐体
151T トランジスタ
152T トランジスタ
M1 ノード
M2 ノード
ND ノード
Claims (4)
- 携帯情報端末と、サーバーと、CPUを備えた電気機器と、を有し、
前記サーバーは、前記携帯情報端末から送信された情報に基づいて、
前記電気機器が有するスイッチのオン状態またはオフ状態を制御する情報を送信する遠隔操作システムであって、
前記スイッチは、第1のトランジスタを有し、
前記CPUは、揮発性記憶素子と、不揮発性記憶素子と、を有し、
前記不揮発性記憶素子は、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記第2のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記揮発性記憶素子と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記容量素子及び前記第3のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのゲートは、書き込み制御信号が入力され、
前記第3のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記揮発性記憶素子と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタはそれぞれ、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する、遠隔操作システム。 - 請求項1において、
前記酸化物半導体は、結晶部を有し、
前記結晶部は、c軸配向している、遠隔操作システム。 - 請求項1又は請求項2において、
前記携帯情報端末と前記サーバーは、電話回線またはインターネット回線により接続される、遠隔操作システム。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記サーバーと前記電気機器は、無線通信により前記情報の送受信が行われる、遠隔操作システム。
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