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JP6246518B2 - Transistor - Google Patents

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JP6246518B2 JP2013156554A JP2013156554A JP6246518B2 JP 6246518 B2 JP6246518 B2 JP 6246518B2 JP 2013156554 A JP2013156554 A JP 2013156554A JP 2013156554 A JP2013156554 A JP 2013156554A JP 6246518 B2 JP6246518 B2 JP 6246518B2
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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。   The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、パワーデバイス、パワーデバイスを有する集積回路、電源回路または電力変換回路のほか、半導体回路、演算装置は、半導体装置の一態様である。また、記憶装置、撮像装置、電気光学装置、表示装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は、半導体装置を有している場合がある。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A semiconductor device such as a transistor, a power device, an integrated circuit including a power device, a power supply circuit, or a power conversion circuit, a semiconductor circuit, and an arithmetic device are one embodiment of the semiconductor device. In addition, a memory device, an imaging device, an electro-optical device, a display device, a power generation device (including a thin film solar cell, an organic thin film solar cell, and the like) and an electronic device may include a semiconductor device.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が知られている。該トランジスタには集積回路(IC)や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)のような電子デバイス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薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。   A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface is known. The transistor is widely applied to an electronic device such as an integrated circuit (IC) or an image display device (also simply referred to as a display device). As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, but an oxide semiconductor has attracted attention as another material.

また、高耐圧向けの半導体装置には、シリコンを用いて作製される半導体装置が広く流通している。しかし、シリコンを用いた半導体装置の性能は限界に近付いており、さらなる高性能化を実現することが困難となってきている。   In addition, semiconductor devices manufactured using silicon are widely distributed as semiconductor devices for high withstand voltage. However, the performance of semiconductor devices using silicon is approaching its limit, and it has become difficult to achieve higher performance.

また、シリコンはバンドギャップが小さいため、これを用いた高耐圧向けの半導体装置は、高温での動作範囲に限界がある。このため、近年ではバンドギャップの広いSiCやGaNを用いた半導体装置の開発が進められている。   In addition, since silicon has a small band gap, a semiconductor device for high withstand voltage using the silicon has a limited operating range at a high temperature. For this reason, in recent years, development of semiconductor devices using SiC or GaN having a wide band gap has been promoted.

また、大電力向けに用いられる半導体装置に酸化物半導体を用いることが開示されている(特許文献1、2)   In addition, it is disclosed that an oxide semiconductor is used for a semiconductor device used for high power (Patent Documents 1 and 2).

特開2011−91382号公報JP 2011-91382 A 特開2011−172217号公報JP 2011-172217 A

大電力向けの半導体装置に適用されるトランジスタは、大電流を流すことが望まれる。また、高温であっても正常動作が可能であることが望まれる。また、高いドレイン電流を有することが望まれる。   A transistor applied to a semiconductor device for high power is desired to pass a large current. Moreover, it is desired that normal operation is possible even at high temperatures. It is also desirable to have a high drain current.

また、トランジスタを含む半導体装置の消費電力を低減するためには、トランジスタのしきい値電圧を適正な値に制御することが望まれる。   In order to reduce power consumption of a semiconductor device including a transistor, it is desirable to control the threshold voltage of the transistor to an appropriate value.

本発明の一態様は、大きな電流を流すことのできる半導体装置を提供することを課題の一とする。または、高温動作が可能な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、高い駆動電圧で安定して動作する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、しきい値電圧の制御が容易な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性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、特性の良い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of flowing a large current. Another object is to provide a semiconductor device that can operate at high temperature. Another object is to provide a semiconductor device that operates stably with a high driving voltage. Another object is to provide a semiconductor device in which threshold voltage can be easily controlled. Another object is to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object is to provide a semiconductor device with favorable characteristics. Another object is to provide a novel semiconductor device.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、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。   Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様は、半導体層と、半導体層と電気的に接続し、半導体層と重なる領域で離間するソース電極及びドレイン電極と、半導体層を挟んで設けられる第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、半導体層と第1のゲート電極との間に第1のゲート絶縁層と、半導体層と第2のゲート電極との間に第2のゲート絶縁層と、を有する半導体装置である。また、第1のゲート電極は、ソース電極の一部、半導体層、及びドレイン電極の一部と重畳して設けられる。また第2のゲート電極は、半導体層の一部と重畳し、上面側から見てソース電極のドレイン電極側の端部と第2のゲート電極のソース電極側の端部とが離間する。さらに、上面側から見てドレイン電極のソース電極側の端部と第2のゲート電極のドレイン電極側の端部とが離間する。   According to one embodiment of the present invention, a semiconductor layer, a source electrode and a drain electrode which are electrically connected to the semiconductor layer and are separated from each other in a region overlapping with the semiconductor layer, a first gate electrode and a second electrode provided with the semiconductor layer interposed therebetween A semiconductor device having a first gate insulating layer between the semiconductor layer and the first gate electrode, and a second gate insulating layer between the semiconductor layer and the second gate electrode. is there. The first gate electrode is provided so as to overlap with part of the source electrode, the semiconductor layer, and part of the drain electrode. The second gate electrode overlaps with part of the semiconductor layer, and the end of the source electrode on the drain electrode side and the end of the second gate electrode on the source electrode side are separated from each other when viewed from the upper surface side. Further, the end of the drain electrode on the source electrode side and the end of the second gate electrode on the drain electrode side are separated from each other when viewed from the upper surface side.

また、上記において、上面側から見て第2のゲート電極とドレイン電極との距離が、第2のゲート電極とソース電極との距離よりも大きいことが好ましい。   In the above, it is preferable that the distance between the second gate electrode and the drain electrode as viewed from the upper surface side is larger than the distance between the second gate electrode and the source electrode.

また、上記半導体層は島状の形状を有し、ドレイン電極は、半導体層と重なる開口を有する環状の形状を有し、ソース電極は、開口の内側に設けられていることが好ましい。   The semiconductor layer preferably has an island shape, the drain electrode has an annular shape having an opening overlapping the semiconductor layer, and the source electrode is preferably provided inside the opening.

または、半導体層は島状の形状を有し、ソース電極は、半導体層と重なる開口を有する環状の形状を有し、ドレイン電極は、開口の内側に設けられていることが好ましい。   Alternatively, the semiconductor layer preferably has an island shape, the source electrode has an annular shape having an opening overlapping with the semiconductor layer, and the drain electrode is preferably provided inside the opening.

また、上記半導体層は、酸化物半導体を含むことが好ましい。   The semiconductor layer preferably contains an oxide semiconductor.

またこのとき、半導体層と第2のゲート絶縁層との間に第1の酸化物層と、半導体層と第1のゲート絶縁層との間に第2の酸化物層と、をさらに有することが好ましい。特に、第1の酸化物層及び第2の酸化物層は、半導体層と同一の金属元素を一種以上含むことが好ましい。   At this time, the semiconductor device further includes a first oxide layer between the semiconductor layer and the second gate insulating layer, and a second oxide layer between the semiconductor layer and the first gate insulating layer. Is preferred. In particular, the first oxide layer and the second oxide layer preferably include one or more metal elements that are the same as those of the semiconductor layer.

本発明の一態様によれば、大きな電流を流すことのできる半導体装置を提供できる。または、高温動作が可能な半導体装置を提供できる。または、高い駆動電圧で安定して動作する半導体装置を提供できる。または、しきい値電圧の制御が容易な半導体装置を提供できる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供できる。または、信頼性の高い半導体装置を提供できる。   According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of flowing a large current can be provided. Alternatively, a semiconductor device capable of high temperature operation can be provided. Alternatively, a semiconductor device that operates stably with a high driving voltage can be provided. Alternatively, a semiconductor device in which the threshold voltage can be easily controlled can be provided. Alternatively, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided.

実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、計算に用いた構造モデル。The structural model used for calculation based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、トランジスタ特性の計算結果。The calculation result of the transistor characteristic based on Embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。8A to 8D illustrate an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、半導体装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、電力変換回路の構成例。The structural example of the power converter circuit based on Embodiment. 実施の形態に係る、電力変換回路の構成例。The structural example of the power converter circuit based on Embodiment. 実施の形態に係る、電源回路の構成例。3 shows a configuration example of a power supply circuit according to an embodiment. 実施の形態に係る、電源回路の構成例。3 shows a configuration example of a power supply circuit according to an embodiment. 実施の形態に係る、バッファ回路の構成例。4 illustrates a configuration example of a buffer circuit according to an embodiment. 実施の形態に係る、記憶装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a memory device according to Embodiment; 実施の形態に係る、表示パネルの構成を説明する図。10A and 10B each illustrate a structure of a display panel according to Embodiment; 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment. 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、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。   Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.

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。また、同様の機能を指す場合には、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。   Note that in structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, in the case where the same function is indicated, the hatch pattern is the same, and there is a case where no reference numeral is given.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。   Note that in each drawing described in this specification, the size, the layer thickness, or the region of each component is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同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。   In the present specification and the like, ordinal numbers such as “first” and “second” are used for avoiding confusion between components, and are not limited numerically.

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、IGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)や薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を含む。   A transistor is a kind of semiconductor element, and can realize amplification of current and voltage, switching operation for controlling conduction or non-conduction, and the like. The transistor in this specification includes an IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) and a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor).

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成例について図面を参照して説明する。ここでは半導体装置の一例として、トランジスタについて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structural example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings. Here, a transistor is described as an example of a semiconductor device.

本発明の一態様の半導体装置は、チャネルが形成される半導体層を挟んで、第1のゲート電極と第2のゲート電極の2つのゲート電極を有する構成を有し、且つ、半導体層の一部に、一方のゲート電極と重畳しない領域を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧の制御の容易性と、電界効果移動度及びドレイン電流の向上を同時に実現するものである。   A semiconductor device according to one embodiment of the present invention has a structure including two gate electrodes, a first gate electrode and a second gate electrode, with a semiconductor layer in which a channel is formed interposed therebetween, and By providing a region that does not overlap with one of the gate electrodes, the control of the threshold voltage of the transistor and the improvement of the field effect mobility and the drain current can be realized at the same time.

より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。   More specifically, for example, the following configuration can be adopted.

[構成例]
図1は、本発明の一態様のトランジスタの構成例における代表的な構成要素の位置関係を説明するためのチャネル長方向の断面概略図である。
[Configuration example]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in the channel length direction for describing the positional relationship between typical components in a configuration example of a transistor of one embodiment of the present invention.

図1(A)に示すトランジスタは、半導体層102と、半導体層102とそれぞれ電気的に接続する第1の電極103a及び第2の電極103bと、絶縁層104を介して半導体層102と重なる第1のゲート電極105aと、半導体層102を介して第1のゲート電極105aと対向して設けられ、絶縁層106を介して半導体層102の一部と重なる第2のゲート電極105bと、を有する。   In the transistor illustrated in FIG. 1A, the semiconductor layer 102, the first electrode 103a and the second electrode 103b that are electrically connected to the semiconductor layer 102, and the semiconductor layer 102 overlap with the insulating layer 104, respectively. 1 gate electrode 105a and a second gate electrode 105b which is provided to face the first gate electrode 105a with the semiconductor layer 102 interposed therebetween and overlaps with part of the semiconductor layer 102 with the insulating layer 106 interposed therebetween. .

なお、図1(A)において、第1のゲート電極105aを第2のゲート電極105bよりも上方に配置するように示しているが、その上下の位置関係は問わない。   Note that although the first gate electrode 105a is shown above the second gate electrode 105b in FIG. 1A, the upper and lower positional relationship is not limited.

半導体層102は、チャネルが形成される領域においてシリコンなどの半導体を含んで構成されうるが、シリコンよりもバンドギャップの大きな半導体を含むことが好ましい。好適には、半導体層102は酸化物半導体を含んで構成される。   The semiconductor layer 102 can include a semiconductor such as silicon in a region where a channel is formed, but preferably includes a semiconductor having a larger band gap than silicon. Preferably, the semiconductor layer 102 includes an oxide semiconductor.

例えば、上記酸化物半導体として、少なくともインジウム(In)もしくは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。より好ましくはIn−M−Zn系酸化物(MはAl、Ti、Ga、Ge、Y、Zr、Sn、La、CeまたはHf等の金属)で表記される酸化物を含む。   For example, the oxide semiconductor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). More preferably, an oxide represented by an In-M-Zn-based oxide (M is a metal such as Al, Ti, Ga, Ge, Y, Zr, Sn, La, Ce, or Hf) is included.

シリコンよりもバンドギャップの大きな酸化物半導体をチャネルが形成される半導体層102に適用することにより、高温下であってもトランジスタの電気特性の変動を極めて小さいものとすることができる。したがって、半導体層102に酸化物半導体を適用することで、高温で安定した動作が可能なトランジスタを実現できる。   By applying an oxide semiconductor having a larger band gap than silicon to the semiconductor layer 102 in which a channel is formed, variation in electric characteristics of the transistor can be extremely small even at high temperatures. Therefore, by using an oxide semiconductor for the semiconductor layer 102, a transistor capable of stable operation at high temperature can be realized.

さらに、半導体層102に酸化物半導体を用いることにより、ホットキャリア劣化に対する耐性が高められ、トランジスタに高いドレイン耐圧を付与することができる。そのため、高い駆動電圧で安定して動作するトランジスタを実現できる。   Further, by using an oxide semiconductor for the semiconductor layer 102, resistance to hot carrier deterioration can be increased, and a high drain breakdown voltage can be applied to the transistor. Therefore, a transistor that operates stably at a high driving voltage can be realized.

ここで、ホットキャリア劣化とは、高速に加速された電子がチャネル中のドレイン近傍でゲート絶縁層中に注入されて固定電荷になることや、ゲート絶縁層界面にトラップ準位を形成することにより、しきい値電圧の変動やゲートリーク等のトランジスタ特性の劣化が生じることであり、ホットキャリア劣化の要因としては、チャネルホットエレクトロン注入(CHE注入)とドレインアバランシェホットキャリア注入(DAHC注入)がある。   Here, hot carrier deterioration means that electrons accelerated at high speed are injected into the gate insulating layer in the vicinity of the drain in the channel to become a fixed charge, or a trap level is formed at the gate insulating layer interface. Transistor characteristic deterioration such as threshold voltage fluctuation and gate leakage occurs, and causes of hot carrier deterioration include channel hot electron injection (CHE injection) and drain avalanche hot carrier injection (DAHC injection). .

シリコンはバンドギャップが狭いため、アバランシェ降伏によって雪崩的に電子が発生しやすく、ゲート絶縁層の障壁を超えられるほど高速に加速される電子数が増加する。しかしながら、本実施の形態で示す酸化物半導体は、バンドギャップが広いため、アバランシェ降伏が生じにくく、シリコンと比べてホットキャリア劣化の耐性が高い。   Since silicon has a narrow band gap, electrons are likely to be generated in an avalanche due to avalanche breakdown, and the number of electrons accelerated faster as the barrier of the gate insulating layer is exceeded. However, since the oxide semiconductor described in this embodiment has a wide band gap, avalanche breakdown is less likely to occur and resistance to hot carrier deterioration is higher than that of silicon.

このように、トランジスタは高いドレイン耐圧を有すると言える。それゆえ、絶縁ゲート電界効果トランジスタ(IGFET:Insulated−Gate Field−Effect Transistor)などのパワーデバイスに好適である。   Thus, it can be said that the transistor has a high drain breakdown voltage. Therefore, it is suitable for a power device such as an insulated gate field effect transistor (IGFET: Insulated-Gate Field-Effect Transistor).

第1の電極103aは、トランジスタのソース電極として機能する。また、第2の電極103bは、トランジスタのドレイン電極として機能する。   The first electrode 103a functions as a source electrode of the transistor. In addition, the second electrode 103b functions as a drain electrode of the transistor.

ここで、第1のゲート電極105aは、第1の電極103aの端部から第2の電極103bの端部に渡って、半導体層102と重なるように設けられている。   Here, the first gate electrode 105a is provided so as to overlap the semiconductor layer 102 from the end portion of the first electrode 103a to the end portion of the second electrode 103b.

一方、第2のゲート電極105bは、第1の電極103aの端部と第2の電極103bの端部の間に設けられ、第1の電極103a及び第2の電極103bのいずれとも重畳しないように設けられている。言い換えると、半導体層102の第1の電極103a側と、第2の電極103b側の両方に、第2のゲート電極105bと重ならない領域(オフセット領域とも呼ぶ)が設けられている。   On the other hand, the second gate electrode 105b is provided between the end portion of the first electrode 103a and the end portion of the second electrode 103b so as not to overlap with any of the first electrode 103a and the second electrode 103b. Is provided. In other words, a region (also referred to as an offset region) that does not overlap with the second gate electrode 105 b is provided on both the first electrode 103 a side and the second electrode 103 b side of the semiconductor layer 102.

ここで、図1(A)に示すように、第1の電極103aと第2の電極103bの間隔をチャネル長Lと呼ぶこととする。また、少なくとも半導体層102と重なる領域において、上面側から見たときの、第1の電極103aと第2のゲート電極105bとの間隔をオフセット長Loff1と呼び、第2の電極103bと第2のゲート電極105bとの間隔をオフセット長Loff2と呼ぶこととする。   Here, as shown in FIG. 1A, the interval between the first electrode 103a and the second electrode 103b is referred to as a channel length L. In addition, the distance between the first electrode 103a and the second gate electrode 105b when viewed from the upper surface side at least in a region overlapping with the semiconductor layer 102 is referred to as an offset length Loff1, and the second electrode 103b and the second electrode 103b The distance from the gate electrode 105b is referred to as an offset length Loff2.

チャネル長Lに対するオフセット長Loff1の比(すなわちLoff1/L)は、0以上0.95以下、好ましくは0以上0.5以下、より好ましくは0以上0.25以下とすればよい。また、チャネル長Lに対するオフセット長Loff2の比(すなわちLoff2/L)は、0以上0.95以下、好ましくは0.5以上0.95以下、より好ましくは0.75以上0.95以下とすればよい。なお、実際にはばらつきとしてプラスマイナス10%の変動を含むものとする。   The ratio of the offset length Loff1 to the channel length L (that is, Loff1 / L) may be 0 or more and 0.95 or less, preferably 0 or more and 0.5 or less, and more preferably 0 or more and 0.25 or less. The ratio of the offset length Loff2 to the channel length L (ie, Loff2 / L) is 0 or more and 0.95 or less, preferably 0.5 or more and 0.95 or less, more preferably 0.75 or more and 0.95 or less. That's fine. Actually, it is assumed that the variation includes a variation of plus or minus 10%.

第1のゲート電極105aには、トランジスタのオン状態を制御する電位を与えることができる。例えば、トランジスタをオン状態とする電位、またはトランジスタをオフ状態とする電位が与えられる。このような電位を与えることにより、トランジスタのスイッチング動作を実現できる。   The first gate electrode 105a can be supplied with a potential for controlling the on state of the transistor. For example, a potential for turning on the transistor or a potential for turning off the transistor is supplied. By applying such a potential, the switching operation of the transistor can be realized.

第2のゲート電極105bには、トランジスタのしきい値電圧を制御するための電位を与えることができる。好ましくは、ソース電極として機能する第1の電極103aに与えられる電位よりも低い電位を与える。このような電位を与えることにより、トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせることができる。特に第2のゲート電極105bに適切な電位を与えることにより、ノーマリーオフのトランジスタ特性を得ることができる。   A potential for controlling the threshold voltage of the transistor can be applied to the second gate electrode 105b. Preferably, a potential lower than the potential applied to the first electrode 103a functioning as the source electrode is applied. By applying such a potential, the threshold voltage of the transistor can be positively shifted. In particular, normally-off transistor characteristics can be obtained by applying an appropriate potential to the second gate electrode 105b.

このような電位を与える第2のゲート電極105bを、ソース電極として機能する第1の電極103aと、ドレイン電極として機能する第2の電極103bの両方からオフセットさせて配置することにより、オフセット領域を有さない場合、すなわち第1の電極103a及び第2の電極103bと重畳させて設ける場合に比べて、しきい値電圧のシフト量を同等なものとするばかりでなく、トランジスタの電界効果移動度を向上させ、オン状態におけるソース−ドレイン間電流(オン電流、ドレイン電流ともよぶ)を増大させることができる。   By disposing the second gate electrode 105b for applying such a potential offset from both the first electrode 103a functioning as a source electrode and the second electrode 103b functioning as a drain electrode, an offset region is formed. In the case where it is not provided, that is, compared with the case where it is provided so as to overlap with the first electrode 103a and the second electrode 103b, not only the shift amount of the threshold voltage is made equal, but also the field effect mobility of the transistor. And the source-drain current in the on state (also referred to as on-current and drain current) can be increased.

なお、第2のゲート電極105bは、少なくとも第1の電極103a及び第2の電極103bと重畳しないように設ければよい。したがって、オフセット長Loff1、Loff2のいずれか一方、または両方が0である場合でも、第2のゲート電極105bが第1の電極103a及び第2の電極103bと重畳させて設ける場合に比べてトランジスタの電界効果移動度が向上し、ドレイン電流を増大させることができる。   Note that the second gate electrode 105b may be provided so as not to overlap with at least the first electrode 103a and the second electrode 103b. Therefore, even when one or both of the offset lengths Loff1 and Loff2 are 0, the second gate electrode 105b overlaps with the first electrode 103a and the second electrode 103b as compared with the case where the transistor is provided. The field effect mobility can be improved and the drain current can be increased.

第2のゲート電極105bに与える電位を一定とした場合、第2のゲート電極105bのチャネル長方向の幅が大きいほどしきい値電圧のシフト量が大きくなる。一方、第2のゲート電極105bのチャネル長方向の幅が小さいほど、電界効果移動度が高まり、オン電流を増大させることができる。チャネル長Lに対する第2のゲート電極105bのチャネル長方向の幅の大きさは、オン電流や電界効果移動度の観点からは小さいほど好ましいが、トランジスタの駆動電圧や所望のしきい値電圧のシフト量などを考慮して適宜設定すればよい。   When the potential applied to the second gate electrode 105b is constant, the shift amount of the threshold voltage increases as the width of the second gate electrode 105b in the channel length direction increases. On the other hand, the smaller the width of the second gate electrode 105b in the channel length direction, the higher the field-effect mobility and the on-current can be increased. The width of the second gate electrode 105b in the channel length direction with respect to the channel length L is preferably as small as possible from the viewpoint of on-state current and field-effect mobility, but a shift in driving voltage of a transistor or a desired threshold voltage What is necessary is just to set suitably in consideration of quantity.

ここで、第2のゲート電極105bに、ソース電極として機能する第1の電極103aに与えられる電位よりも高い電位を与えることもできる。このような電位を与えることにより、トランジスタのしきい値電圧をマイナスシフトさせることができる。   Here, a potential higher than that applied to the first electrode 103a functioning as the source electrode can be applied to the second gate electrode 105b. By applying such a potential, the threshold voltage of the transistor can be negatively shifted.

または、第2のゲート電極105bには、トランジスタのオン状態を制御する電位を与えることもできる。例えば、第1のゲート電極105aに入力される電位と同電位を与えることが好ましい。このとき、図示しない配線やプラグなどにより、第2のゲート電極105bを第1のゲート電極105aと電気的に接続する構成とすればよい。このような構成とすることで、第1のゲート電極105aと第2のゲート電極105bに電位を供給する配線を共通化し、回路構成を単純化することができる。   Alternatively, a potential for controlling the on state of the transistor can be applied to the second gate electrode 105b. For example, it is preferable to apply the same potential as that input to the first gate electrode 105a. At this time, the second gate electrode 105b may be electrically connected to the first gate electrode 105a with a wiring, a plug, or the like (not shown). With such a structure, a wiring for supplying a potential to the first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b can be shared, and the circuit structure can be simplified.

なお、第2のゲート電極105bに入力するトランジスタのオン状態を制御する電位は上記に限られず、絶縁層106の厚さや電気的特性などを考慮し、第1のゲート電極105aに入力する電位よりも高い電位、またはこれよりも低い電位であってもよい。また、第1のゲート電極105aに入力される信号(電位レベルが時間変化する信号)に対し、電位の立ち上がりや立下りのタイミングがずれた信号を第2のゲート電極105bに入力してもよい。   Note that the potential for controlling the on state of the transistor input to the second gate electrode 105b is not limited to the above, and the potential input to the first gate electrode 105a is considered in consideration of the thickness of the insulating layer 106, electrical characteristics, and the like. May be a higher potential or a lower potential. In addition, a signal whose potential rise or fall timing is shifted with respect to a signal (a signal whose potential level changes with time) input to the first gate electrode 105a may be input to the second gate electrode 105b. .

第2のゲート電極105bにこのような電位を与えることにより、半導体層102に形成されるチャネル領域が拡大し、トランジスタの電界効果移動度を向上させ、オン電流を高めることができる。   By applying such a potential to the second gate electrode 105b, a channel region formed in the semiconductor layer 102 is expanded, the field-effect mobility of the transistor can be improved, and the on-state current can be increased.

図1(B)に示すトランジスタは、図1(A)に示したトランジスタと比較して、オフセット長Loff2がオフセット長Loff1よりも大きくなるように、第2のゲート電極105bを配置した場合を示している。   In the transistor illustrated in FIG. 1B, the second gate electrode 105b is disposed so that the offset length Loff2 is larger than the offset length Loff1 as compared with the transistor illustrated in FIG. ing.

このように、第2のゲート電極105bのチャネル長方向の幅を一定とした場合、上面側から見たときの第2のゲート電極105bと第2の電極103bとの距離(オフセット長Loff2)が大きいほど、トランジスタの電界効果移動度を向上させ、オン電流を増大させることができる。特に、上面側からみたときの第2のゲート電極105bと第1の電極103aとの距離(オフセット長Loff1)が0に近いほどオン電流の増大が顕著になる。   Thus, when the width in the channel length direction of the second gate electrode 105b is constant, the distance (offset length Loff2) between the second gate electrode 105b and the second electrode 103b when viewed from the upper surface side is as follows. A larger value can improve the field-effect mobility of the transistor and increase the on-state current. In particular, as the distance (offset length Loff1) between the second gate electrode 105b and the first electrode 103a when viewed from the upper surface side is closer to 0, the increase in on-state current becomes more significant.

また、図1(C)に示すように、第2のゲート電極105bを複数にチャネル長方向に分割して離間させて配置してもよい。ここでは便宜上、2つに分割された第2のゲート電極105b、105bの距離をオフセット長Loff3と呼ぶこととする。 In addition, as illustrated in FIG. 1C, the second gate electrode 105b may be divided into a plurality of portions in the channel length direction and separated from each other. Here, for convenience, the distance between the second gate electrodes 105b 1 and 105b 2 divided into two is referred to as an offset length Loff3.

このとき、2つに分割された第2のゲート電極105b及び第2のゲート電極105bは、いずれも上面側からみて第1の電極103aと第2の電極103bの間に位置するように配置することが好ましい。 At this time, the second gate electrode 105b 1 and the second gate electrode 105b 2 which is divided into two are both to be located between the first electrode 103a and the second electrode 103b when viewed from the top side It is preferable to arrange.

なお、ここでは第2のゲート電極105bを2つに分割した例を示したが、3以上に分割する構成としてもよい。その場合も、複数に分割された第2のゲート電極を、上面側からみて第1の電極103aと第2の電極103bの間に位置するように配置することが好ましい。このように第2のゲート電極105bを複数に分割して配置する構成を、マルチゲート構造とも呼ぶことができる。   Note that although the example in which the second gate electrode 105b is divided into two is shown here, a configuration in which the second gate electrode 105b is divided into three or more is also possible. In that case also, it is preferable that the second gate electrode divided into a plurality of portions be disposed so as to be positioned between the first electrode 103a and the second electrode 103b when viewed from the upper surface side. Such a structure in which the second gate electrode 105b is divided into a plurality of parts can be referred to as a multi-gate structure.

このように、第2のゲート電極105bを複数に分割し、チャネル長方向において半導体層102と第2のゲート電極105bとが重畳しないオフセット領域を複数有する構成とすることで、トランジスタの電界効果移動度が向上し、オン電流を増大させることができる。   In this manner, by dividing the second gate electrode 105b into a plurality of portions and having a plurality of offset regions in which the semiconductor layer 102 and the second gate electrode 105b do not overlap with each other in the channel length direction, the field effect transfer of the transistor is performed. And the on-current can be increased.

また、図1(D)に示すように、複数に分割された第2のゲート電極のうち1以上を、他よりも半導体層102から離れた位置に配置してもよい。図1(D)では、3つに分割された第2のゲート電極105b、105b、105bのうち、第2のゲート電極105bを、他よりも半導体層102から離れた位置に配置した場合を示している。なお明瞭化のため、図1(D)ではチャネル長やオフセット長などの記載は省略している。 Further, as shown in FIG. 1D, one or more of the plurality of second gate electrodes divided into a plurality may be arranged at a position farther from the semiconductor layer 102 than the others. In FIG. 1D, among the second gate electrodes 105b 1 , 105b 2 , and 105b 3 divided into three , the second gate electrode 105b 2 is arranged at a position farther from the semiconductor layer 102 than the others. Shows the case. Note that, for the sake of clarity, description of a channel length, an offset length, and the like is omitted in FIG.

第2のゲート電極105bは、絶縁層106、絶縁層108及び絶縁層109を介して半導体層102の一部と重畳するように配置されている。 The second gate electrode 105 b 2 is disposed so as to overlap with part of the semiconductor layer 102 with the insulating layer 106, the insulating layer 108, and the insulating layer 109 interposed therebetween.

またこのとき、他よりも半導体層102から離れた位置に配置された第2のゲート電極には、他とは異なる電位を供給してもよい。例えば図1(D)に示す構成では、第2のゲート電極105b、105bに第1の電極103aに与える電位よりも低い電位を与え、第2のゲート電極105bには、これよりも低い電位を与えることもできる。 At this time, a potential different from the others may be supplied to the second gate electrode arranged at a position farther from the semiconductor layer 102 than others. For example, in the structure illustrated in FIG. 1D, a potential lower than the potential applied to the first electrode 103a is applied to the second gate electrodes 105b 1 and 105b 3 , and the second gate electrode 105b 2 is supplied with a potential lower than that. A low potential can also be applied.

以上が本構成例についての説明である。   The above is the description of this configuration example.

以上のように、本発明の一態様のトランジスタは、第2のゲート電極に適切な電位を与えることで、ノーマリーオフの電気特性を付与することが可能となる。さらに半導体層として酸化物半導体を用いることで、オフ状態におけるリーク電流(オフ電流ともよぶ)を極めて小さいものとすることができる。したがって、本発明の一態様のトランジスタを備える半導体装置の消費電力を低減することが可能となる。   As described above, the transistor of one embodiment of the present invention can impart normally-off electrical characteristics by applying an appropriate potential to the second gate electrode. Further, by using an oxide semiconductor for the semiconductor layer, leakage current in an off state (also referred to as off-state current) can be extremely small. Therefore, power consumption of a semiconductor device including the transistor of one embodiment of the present invention can be reduced.

また、本発明の一態様のトランジスタは、半導体層にシリコンを用いた場合よりもドレイン耐圧に優れるため、高いドレイン耐圧が要求されるデバイスに好適に用いることができる。さらに、本発明の一態様のトランジスタはしきい値電圧を容易に制御可能で、且つしきい値電圧をシフトさせ、ノーマリーオフの特性とした場合であっても高いドレイン電流を流すことができるため、高効率で且つ低消費電力駆動が要求されるデバイスに好適に用いることができる。例えば電源回路、DCDCコンバータやインバータなどの電力変換回路、信号の送受信に係る送信回路または受信回路、電力を受電する受電回路などに好適に用いることができる。   In addition, since the transistor of one embodiment of the present invention has a higher drain breakdown voltage than that in the case where silicon is used for a semiconductor layer, the transistor can be preferably used for a device that requires a high drain breakdown voltage. Further, the transistor of one embodiment of the present invention can easily control a threshold voltage, and can flow a high drain current even when the threshold voltage is shifted to have a normally-off characteristic. Therefore, it can be suitably used for a device that is required to be driven with high efficiency and low power consumption. For example, it can be suitably used for a power supply circuit, a power conversion circuit such as a DCDC converter or an inverter, a transmission circuit or reception circuit related to signal transmission / reception, a power reception circuit that receives power.

また、半導体層にシリコンよりもバンドギャップの広い半導体材料を用いることで、高温であっても安定した動作が可能となる。特に本発明の一態様のトランジスタは大きな電流を流すことが可能であり、駆動時の自己発熱が顕著になる場合がある。また大電力向けの半導体装置では、他の素子からの発熱により使用環境が高温となってしまう場合もある。しかしながら本発明の一態様のトランジスタは、このような高温環境であっても安定した電気特性を維持することができ、該トランジスタを適用した半導体装置の高温環境における信頼性を高めることができる。   In addition, by using a semiconductor material having a wider band gap than silicon for the semiconductor layer, stable operation can be performed even at high temperatures. In particular, the transistor of one embodiment of the present invention can flow a large current, and self-heating during driving may be remarkable. In a semiconductor device for high power, the usage environment may become high due to heat generated from other elements. However, the transistor of one embodiment of the present invention can maintain stable electrical characteristics even in such a high temperature environment, and can improve reliability in a high temperature environment of a semiconductor device to which the transistor is applied.

また、本発明の一態様のトランジスタは高いドレイン耐圧と高い電界効果移動度を実現できるため、チャネル長とチャネル幅を小さくすることが可能であり、素子の占有面積を縮小することができる。したがって、高集積化や素子の微細化が求められるデバイスにも好適に用いることができる。例えば、複数の画素を含む画像表示装置では、画素の高精細化を可能とする。また高集積化が望まれるメモリデバイスや演算装置などのICにも好適に用いることができる。   In addition, since the transistor of one embodiment of the present invention can achieve high drain breakdown voltage and high field-effect mobility, the channel length and the channel width can be reduced, and the area occupied by the element can be reduced. Therefore, it can be suitably used for devices that require high integration and element miniaturization. For example, in an image display device including a plurality of pixels, high definition of the pixels is possible. Further, it can be suitably used for an IC such as a memory device or an arithmetic unit for which high integration is desired.

[シミュレーションによる検証]
以下では、各ゲート電極の配置の違いがトランジスタの電気特性に与える影響について検証した結果を示す。
[Verification by simulation]
Below, the result of having verified about the influence which the difference in arrangement | positioning of each gate electrode has on the electrical property of a transistor is shown.

〔計算モデル〕
まず、計算に用いたトランジスタのモデルを図2(A)乃至(C)にそれぞれ示す。なお、計算にはデバイスシミュレーションソフト Sentaurus(synopsys社製)を用いた。
[Calculation model]
First, a transistor model used in the calculation is shown in FIGS. For the calculation, device simulation software Sentaurus (manufactured by synopsys) was used.

図2(A)に示すトランジスタは、半導体層(OS)上に第1のゲート絶縁層(GI1)を有し、第1のゲート絶縁層(GI1)上に第1のゲート電極(GE1)を有する。また半導体層(OS)上にはソース電極(Source)及びドレイン電極(Drain)が離間して配置されている。半導体層(OS)のソース電極(Source)、ドレイン電極(Drain)と重畳する領域には、ドナー密度の高い領域(n+)が形成されている。半導体層(OS)の下方には第2のゲート絶縁層(GI2)が配置され、第2のゲート絶縁層(GI2)よりも下方に、半導体層(OS)の一部と重畳する第2のゲート電極(GE2)が配置されている。すなわち、第2のゲート電極(GE2)は、ソース電極(Source)及びドレイン電極(Drain)とは重畳しないように設けられている。   The transistor illustrated in FIG. 2A includes a first gate insulating layer (GI1) over a semiconductor layer (OS), and a first gate electrode (GE1) over the first gate insulating layer (GI1). Have. On the semiconductor layer (OS), a source electrode (Source) and a drain electrode (Drain) are spaced apart. A region (n +) with a high donor density is formed in a region overlapping with the source electrode (Source) and the drain electrode (Drain) of the semiconductor layer (OS). A second gate insulating layer (GI2) is disposed below the semiconductor layer (OS), and the second gate insulating layer (GI2) overlaps with part of the semiconductor layer (OS) below the second gate insulating layer (GI2). A gate electrode (GE2) is disposed. That is, the second gate electrode (GE2) is provided so as not to overlap with the source electrode (Source) and the drain electrode (Drain).

ここで、ソース電極(Source)とドレイン電極(Drain)の間の距離をチャネル長Lとする。また、上面側から見たときのソース電極(Source)と第2のゲート電極(GE2)との距離をオフセット長Loff1とし、ドレイン電極(Drain)と第2のゲート電極(GE2)との距離をオフセット長Loff2とする。また、ソース電極(Source)とドレイン電極(Drain)の間の領域における第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とが重畳する長さをオーバーラップ長Lovとする。   Here, the distance between the source electrode (Source) and the drain electrode (Drain) is defined as a channel length L. The distance between the source electrode (Source) and the second gate electrode (GE2) when viewed from the upper surface side is the offset length Loff1, and the distance between the drain electrode (Drain) and the second gate electrode (GE2) is The offset length is Loff2. In addition, the overlap length Lov is a length where the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) overlap in a region between the source electrode (Source) and the drain electrode (Drain).

また、本計算モデルでは、半導体層に用いる半導体として酸化物半導体を想定して計算を行った。   In this calculation model, the calculation was performed assuming an oxide semiconductor as a semiconductor used for the semiconductor layer.

計算に用いた条件を表1に示す。   Table 1 shows the conditions used for the calculation.

また、図2(B)に示すトランジスタは、図2(A)と比較して、第2のゲート電極(GE2)がソース電極(Source)とドレイン電極(Drain)及びこれらの間の半導体層(OS)の全体に重畳して配置されている点で相違している。ここでは、第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とが重畳する長さLovはチャネル長Lと等しくなる。   In addition, in the transistor illustrated in FIG. 2B, the second gate electrode (GE2) includes a source electrode (Source), a drain electrode (Drain), and a semiconductor layer between them as compared with FIG. (OS) is different in that it is arranged so as to be superimposed on the whole. Here, the length Lov at which the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) overlap is equal to the channel length L.

また、図2(C)の示すトランジスタは、図2(A)と比較して、第2のゲート電極(GE2)を有していない点で相違している。   The transistor illustrated in FIG. 2C is different from that in FIG. 2A in that the second gate electrode (GE2) is not included.

〔第2のゲート電極のオーバーラップ長依存性〕
図2(A)に示したモデルにおいて、まずは第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とのオーバーラップ長Lov(すなわち、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅)を変えて、トランジスタ特性を算出した。ここで、第2のゲート電極(GE2)の位置をソース電極(Source)とドレイン電極(Drain)の中間の位置に固定した条件を用いた。すなわち、上面側からみたときの第2のゲート電極(GE2)とソース電極(Source)とのオフセット長Loff1と、第2のゲート電極(GE2)とドレイン電極(Drain)とのオフセット長Loff2とが一致する条件を用いた。また、オーバーラップ長Lovを、チャネル長Lを基準にL/20からLまでの範囲で、L/20ずつ変化させて計算を行った。さらに、第2のゲート電極(GE2)をソース電極及びドレイン電極と重畳させて設けたモデル(図2(B))、及び第2のゲート電極(GE2)を配置しないモデル(図2(C))についても計算を行った。
[Dependence of overlap length of second gate electrode]
In the model shown in FIG. 2A, first, the overlap length Lov between the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) (that is, the width of the second gate electrode (GE2) in the channel length direction). The transistor characteristics were calculated while changing. Here, conditions were used in which the position of the second gate electrode (GE2) was fixed at an intermediate position between the source electrode (Source) and the drain electrode (Drain). That is, the offset length Loff1 between the second gate electrode (GE2) and the source electrode (Source) and the offset length Loff2 between the second gate electrode (GE2) and the drain electrode (Drain) when viewed from the upper surface side. Matching conditions were used. Further, the calculation was performed by changing the overlap length Lov by L / 20 in a range from L / 20 to L with reference to the channel length L. Further, a model in which the second gate electrode (GE2) is provided so as to overlap with the source electrode and the drain electrode (FIG. 2B), and a model in which the second gate electrode (GE2) is not disposed (FIG. 2C). ) Was also calculated.

また計算において、チャネル長Lを10μmとし、ソース−ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧Vdと呼ぶ)として0.1V、3.0Vの2条件について計算を行った。   In the calculation, the channel length L was 10 μm, and the calculation was performed under two conditions of 0.1 V and 3.0 V as the source-drain voltage (hereinafter referred to as the drain voltage Vd).

図3(A)は、ドレイン電圧Vdを0.1Vとしたときの、ゲート−ソース間電圧(以下、ゲート電圧Vgと呼ぶ)に対するソース−ドレイン間電流(以下、ドレイン電流Idと呼ぶ)の関係(Vg−Id特性ともいう)の計算結果である。また、図3(B)は、図3(A)のVg−Id特性から見積もった、ゲート電圧Vgに対する電界効果移動度の関係を示している。また、図4(A)、(B)は同様に、ドレイン電圧Vdを3.0Vとしたときの計算結果である。なお、図中、第2のゲート電極(GE2)をソース電極及びドレイン電極と重畳させて設けたモデル(図2(B))については一点鎖線で、また第2のゲート電極(GE2)を配置しないモデル(図2(C))については破線で、それぞれ示している。   FIG. 3A shows the relationship between the source-drain current (hereinafter referred to as the drain current Id) and the gate-source voltage (hereinafter referred to as the gate voltage Vg) when the drain voltage Vd is 0.1 V. It is the calculation result of (it is also called Vg-Id characteristic). FIG. 3B shows the relationship of the field effect mobility with respect to the gate voltage Vg estimated from the Vg-Id characteristics of FIG. 4A and 4B are similarly calculated results when the drain voltage Vd is set to 3.0V. In the figure, the model (FIG. 2B) in which the second gate electrode (GE2) is provided so as to overlap with the source electrode and the drain electrode is shown by a one-dot chain line, and the second gate electrode (GE2) is arranged. The models that are not used (FIG. 2C) are indicated by broken lines.

なお、図3及び図4に示すId−Vg特性と電界効果移動度は、Lov=Lの条件と第2のゲート電極(GE2)を全体に配置した条件とでは、これらの曲線がほぼ一致しているため、重ねて表示されている。   Note that the Id-Vg characteristics and field-effect mobility shown in FIGS. 3 and 4 are almost the same between the Lov = L condition and the second gate electrode (GE2). Therefore, they are displayed in an overlapping manner.

ここで、図3はドレイン電圧が十分に小さい条件の結果であり、線形領域におけるトランジスタの電気特性に相当する。一方、図4はドレイン電圧が十分に大きい条件の結果であり、飽和領域におけるトランジスタの電気特性に相当する。   Here, FIG. 3 shows the result of the condition where the drain voltage is sufficiently small, and corresponds to the electrical characteristics of the transistor in the linear region. On the other hand, FIG. 4 shows the result of the condition where the drain voltage is sufficiently high, and corresponds to the electrical characteristics of the transistor in the saturation region.

図5に、ドレイン電圧Vdの条件ごとに算出した、各Lov条件に対するトランジスタの各種特性の関係を示す。図5(A)には、各Lov条件に対するしきい値電圧の値を示す。また、図5(B)には、各Lov条件における電界効果移動度の最大値を示す。また図5(C)には、各Lov条件に対するドレイン電流の値を示す。ここで、ドレイン電流Idは、各条件での比較を容易にするために、ゲート電圧Vgをしきい値電圧よりも1.5V高い電圧としたときのドレイン電流Idを示している。また、図5(D)には、異なるドレイン電圧Vdの条件間での比較を容易にするため、第2のゲート電極(GE2)を全体に配置した条件でのドレイン電流Idを100%としたときの、各Lov条件におけるドレイン電流Idの比を示している。   FIG. 5 shows the relationship of various characteristics of the transistor with respect to each Lov condition calculated for each condition of the drain voltage Vd. FIG. 5A shows the threshold voltage value for each Lov condition. FIG. 5B shows the maximum value of field effect mobility under each Lov condition. FIG. 5C shows the drain current value for each Lov condition. Here, the drain current Id indicates the drain current Id when the gate voltage Vg is 1.5 V higher than the threshold voltage in order to facilitate comparison under each condition. Further, in FIG. 5D, in order to facilitate comparison between conditions of different drain voltages Vd, the drain current Id under the condition that the second gate electrode (GE2) is arranged as a whole is 100%. The ratio of the drain current Id in each Lov condition is shown.

図3乃至図5より、第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とのオーバーラップ長Lovが大きいほど、しきい値電圧をプラスシフトさせることができることが確認できた。より具体的には、Lovが最も小さい条件(Lov=L×1/20)であっても第2のゲート電極(GE2)を配置しない条件に対して、しきい値電圧は急激に変化し、それよりもLovが大きくなるにつれて緩やかに上昇する傾向がみられた。   From FIG. 3 to FIG. 5, it was confirmed that the threshold voltage can be shifted more positively as the overlap length Lov between the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) is larger. More specifically, the threshold voltage changes abruptly with respect to the condition in which the second gate electrode (GE2) is not disposed even under the condition that Lov is the smallest (Lov = L × 1/20). There was a tendency for the rate to rise gradually as Lov increased.

また、電界効果移動度及びドレイン電流Idは、Lovが小さいほど増加する傾向があることが確認できた。電界効果移動度及びドレイン電流Idはいずれも、ドレイン電圧Vdが大きい(飽和領域の)条件の方が、Lovに対する変化がより顕著であることが確認できた。Lovが最も小さい条件(Lov=L×1/20)でのドレイン電流Idの値は、第2のゲート電極(GE2)を全体に配置した場合に比べて、ドレイン電圧0.1V(線形領域)の条件で約1.4倍、ドレイン電圧3.0V(飽和領域)の条件で約2.3倍にまで向上することが確認できた。   It was also confirmed that the field effect mobility and the drain current Id tend to increase as Lov decreases. It was confirmed that both the field-effect mobility and the drain current Id are more markedly changed with respect to Lov when the drain voltage Vd is large (in the saturation region). The value of the drain current Id under the condition that Lov is the smallest (Lov = L × 1/20) is 0.1V (linear region) as compared with the case where the second gate electrode (GE2) is arranged as a whole. It was confirmed that the current ratio was improved about 1.4 times under the condition of 1.3 and 2.3 times under the condition of the drain voltage of 3.0 V (saturation region).

このように、第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)とが重畳しない領域(オフセット領域)をソース側及びドレイン側の両方に設けることにより、第2のゲート電極(GE2)をソース電極からドレイン電極にかけて全体に配置した場合に比べて電界効果移動度及びドレイン電流を向上させることができることが確認できた。   As described above, by providing a region (offset region) where the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) do not overlap on both the source side and the drain side, the second gate electrode (GE2) is provided as the source. It was confirmed that the field-effect mobility and the drain current can be improved as compared with the case where the entire structure is arranged from the electrode to the drain electrode.

さらに、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅(Lov)はチャネル長Lに対して十分に小さい場合であっても、第2のゲート電極(GE2)をソース電極からドレイン電極にかけて全体に配置した場合と同等に、しきい値電圧をシフトさせることができる。さらに、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅(Lov)はチャネル長Lに対して小さいほど、電界効果移動度及びドレイン電流Idを高めることができることが確認できた。   Further, even when the width (Lov) in the channel length direction of the second gate electrode (GE2) is sufficiently small with respect to the channel length L, the second gate electrode (GE2) is extended from the source electrode to the drain electrode. The threshold voltage can be shifted as in the case of the entire arrangement. Further, it was confirmed that the field effect mobility and the drain current Id can be increased as the width (Lov) in the channel length direction of the second gate electrode (GE2) is smaller than the channel length L.

〔第2のゲート電極の位置依存性〕
続いて、第2のゲート電極(GE2)のチャネル長方向の幅(Lov)を固定し、その位置をソース電極(Source)側からドレイン電極(Drain)側にかけて変化させていったときの、トランジスタの電気特性への影響を調査した。具体的には、第2のゲート電極(GE2)と半導体層(OS)のオーバーラップ長LovをL/20に固定し、ソース電極(Source)と第2のゲート電極(GE2)とのオフセット長Loff1を0からL×19/20まで、L/20ずつ変化させて計算を行った。ここで、Loff1が0の条件は、上面側からみて第2のゲート電極(GE2)のソース側の端部とソース電極(Source)のドレイン側の端部とが一致する場合を意味する。同様に、Loff1がL×19/20の条件は、上面側から見て第2のゲート電極(GE2)のドレイン側の端部とドレイン電極(Drain)のソース側の端部とが一致する場合を意味する。
[Position dependence of second gate electrode]
Subsequently, the transistor when the width (Lov) in the channel length direction of the second gate electrode (GE2) is fixed and the position is changed from the source electrode (Source) side to the drain electrode (Drain) side. The influence on the electrical characteristics of the Specifically, the overlap length Lov between the second gate electrode (GE2) and the semiconductor layer (OS) is fixed to L / 20, and the offset length between the source electrode (Source) and the second gate electrode (GE2). The calculation was performed by changing Loff1 from 0 to L × 19/20 by L / 20. Here, the condition that Loff1 is 0 means that the source-side end portion of the second gate electrode (GE2) and the drain-side end portion of the source electrode (Source) coincide with each other when viewed from the upper surface side. Similarly, the condition that Loff1 is L × 19/20 is when the end on the drain side of the second gate electrode (GE2) matches the end on the source side of the drain electrode (Drain) when viewed from the upper surface side. Means.

図6及び図7に、それぞれドレイン電圧Vdを0.1V、3.0VとしたときのIg−Vd特性と、ゲート電圧Vgに対する電界効果移動度の関係を示す。また、図8には、ドレイン電圧Vdごとに算出した、各Loff1条件に対するトランジスタの各種特性の関係を示す。図8(A)には各Loff1条件に対するしきい値電圧の値を示し、図8(B)には各Loff1条件に対する電界効果移動度の最大値を示し、図8(C)には各Loff1条件に対するドレイン電流Idの値を示す。また図8(D)には、第2のゲート電極(GE2)を全体に配置した条件でのドレイン電流Idを100%としたときの、各Loff1条件におけるドレイン電流Idの比を示している。   6 and 7 show the relationship between the Ig-Vd characteristics when the drain voltage Vd is 0.1 V and 3.0 V, respectively, and the field effect mobility with respect to the gate voltage Vg. FIG. 8 shows the relationship between various characteristics of the transistor for each Loff1 condition calculated for each drain voltage Vd. 8A shows the threshold voltage value for each Loff1 condition, FIG. 8B shows the maximum field effect mobility for each Loff1 condition, and FIG. 8C shows each Loff1. The value of the drain current Id with respect to the conditions is shown. FIG. 8D shows the ratio of the drain current Id under each Loff1 condition when the drain current Id under the condition where the second gate electrode (GE2) is disposed as a whole is 100%.

図6乃至図8より、しきい値電圧の値は、Loff1の大きさ、すなわち第2のゲート電極(GE2)の位置を変化させてもほぼ一定の値を示すことが確認できた。   6 to 8, it was confirmed that the threshold voltage value was substantially constant even when the magnitude of Loff1, that is, the position of the second gate electrode (GE2) was changed.

また、電界効果移動度について、ドレイン電圧Vdが小さい(線形領域の)条件では、Loff1の大きさによらずほぼ一定であるのに対し、ドレイン電圧Vdが大きい(飽和領域の)条件では、Loff1が0に近づくほど急激に上昇することが確認できた。   Further, the field effect mobility is almost constant regardless of the magnitude of Loff1 when the drain voltage Vd is small (in the linear region), whereas it is Loff1 when the drain voltage Vd is large (in the saturation region). It was confirmed that the value rose sharply toward 0.

また、ドレイン電流Idについて、ドレイン電圧Vdが小さい(線形領域の)条件では、Loff1の大きさによらずほぼ一定であるのに対し、ドレイン電圧Vdが大きい(飽和領域の)条件では、Loff1が小さいほど緩やかに上昇することが確認できた。   Further, the drain current Id is almost constant regardless of the magnitude of Loff1 when the drain voltage Vd is small (in the linear region), whereas Loff1 is large under the condition where the drain voltage Vd is large (in the saturation region). It was confirmed that the smaller the value, the higher the rate.

以上の結果から、第2のゲート電極(GE2)はソース側に近づけて配置することにより、より電界効果移動度とドレイン電流Idの向上が見込めることが確認できた。またその傾向はドレイン電圧Vdが大きく、飽和領域での駆動の場合でより顕著となることが確認できた。   From the above results, it was confirmed that the field effect mobility and the drain current Id can be further improved by arranging the second gate electrode (GE2) close to the source side. It was confirmed that the drain voltage Vd is large and becomes more prominent in the case of driving in the saturation region.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置のより具体的な構成例と、その作製方法例について図面を参照して説明する。ここでは半導体装置の一例として、トランジスタについて説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略する場合がある。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a more specific structure example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention and an example of a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings. Here, a transistor is described as an example of a semiconductor device. In addition, description may be abbreviate | omitted about the part which overlaps with the above.

[構成例]
図9(A)に、本構成例で示すトランジスタ100の上面概略図を示す。また図9(B)、(C)にはそれぞれ、図9(A)中の切断線A−B、C−Dにおける断面概略図を示す。なお、図9(A)では明瞭化のため一部の構成要素を明示していない。
[Configuration example]
FIG. 9A is a schematic top view of the transistor 100 in this structural example. 9B and 9C are schematic cross-sectional views taken along section lines AB and CD in FIG. 9A, respectively. Note that some components are not illustrated in FIG. 9A for clarity.

トランジスタ100は、基板101上に設けられ、島状の半導体層102と、それぞれ半導体層102に電気的に接続される第1の電極103a及び第2の電極103bと、それぞれ半導体層102と重なる第1のゲート電極105a及び第2のゲート電極105bと、第1のゲート電極105aと半導体層102の間に絶縁層104と、第2のゲート電極105bと半導体層102との間に絶縁層106と、を有する。また、絶縁層106、第1の電極103a、第2の電極103b、第1のゲート電極105a等を覆う絶縁層107が設けられている。   The transistor 100 is provided over a substrate 101 and has an island-shaped semiconductor layer 102, a first electrode 103 a and a second electrode 103 b that are electrically connected to the semiconductor layer 102, and a first electrode that overlaps the semiconductor layer 102. The first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b, the insulating layer 104 between the first gate electrode 105a and the semiconductor layer 102, and the insulating layer 106 between the second gate electrode 105b and the semiconductor layer 102. Have. An insulating layer 107 is provided to cover the insulating layer 106, the first electrode 103a, the second electrode 103b, the first gate electrode 105a, and the like.

第1の電極103aは、トランジスタ100のソース電極として機能する。また、第2の電極103bは、トランジスタ100のドレイン電極として機能する。   The first electrode 103 a functions as a source electrode of the transistor 100. In addition, the second electrode 103 b functions as a drain electrode of the transistor 100.

ここで、図9(A)、(B)に示すように、半導体層102と重なる部分における第1の電極103aと第2の電極103bとの距離をトランジスタ100のチャネル長Lとする。   Here, as illustrated in FIGS. 9A and 9B, the distance between the first electrode 103 a and the second electrode 103 b in a portion overlapping with the semiconductor layer 102 is a channel length L of the transistor 100.

第1の電極103aと第2の電極103bに挟まれた領域において、半導体層102を覆うように第1のゲート電極105aが設けられている。また第1のゲート電極105aは、第1の電極103aの一部、及び第2の電極103bの一部と重なるように設けられている。   A first gate electrode 105 a is provided so as to cover the semiconductor layer 102 in a region sandwiched between the first electrode 103 a and the second electrode 103 b. The first gate electrode 105a is provided so as to overlap with part of the first electrode 103a and part of the second electrode 103b.

一方、第2のゲート電極105bは、第1の電極103aと第2の電極103bに挟まれた領域において、半導体層102の一部と重なるように設けられている。   On the other hand, the second gate electrode 105b is provided so as to overlap with part of the semiconductor layer 102 in a region between the first electrode 103a and the second electrode 103b.

ここで、図9(A)、(B)に示すように、半導体層102と重なる領域において、上面側から見て第1の電極103aの端部から第2のゲート電極105bの端部までの距離をオフセット長Loff1、第2の電極103bの端部から第2のゲート電極105bの端部までの距離をオフセット長Loff2とする。オフセット長Loff1、Loff2はいずれも以上で、且つ、Loff1とLoff2の和がチャネル長Lよりも小さくなるように、第2のゲート電極105bが配置されている。   Here, as shown in FIGS. 9A and 9B, in the region overlapping with the semiconductor layer 102, from the end of the first electrode 103 a to the end of the second gate electrode 105 b when viewed from the upper surface side. The distance is the offset length Loff1, and the distance from the end of the second electrode 103b to the end of the second gate electrode 105b is the offset length Loff2. The offset lengths Loff1 and Loff2 are both above, and the second gate electrode 105b is arranged so that the sum of Loff1 and Loff2 is smaller than the channel length L.

また、第2のゲート電極105bの側面に接して絶縁層108が設けられている。また第2のゲート電極105bと絶縁層108は、その上面が平坦化され、これらの高さが一致していることが好ましい。少なくとも半導体層102の下部を平坦化することで、半導体層102の厚さや膜質の均一性が高まり、トランジスタの電気特性の安定性やばらつきを改善することができる。   An insulating layer 108 is provided in contact with the side surface of the second gate electrode 105b. In addition, it is preferable that the top surfaces of the second gate electrode 105b and the insulating layer 108 are flattened and the heights thereof coincide with each other. By flattening at least the lower portion of the semiconductor layer 102, the uniformity of the thickness and film quality of the semiconductor layer 102 can be increased, and the stability and variation in the electrical characteristics of the transistor can be improved.

また、絶縁層108は加熱により酸素を放出する膜を含むことが好ましい。例えば、酸素過剰領域を有する絶縁膜を含む構成とすればよい。酸素過剰領域を有する絶縁膜としては、例えば化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を用いることが好ましい。このような酸化絶縁膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。   The insulating layer 108 preferably includes a film that releases oxygen by heating. For example, a structure including an insulating film having an oxygen excess region may be used. As the insulating film having an oxygen-excess region, for example, an oxide insulating film containing more oxygen than oxygen that satisfies the stoichiometric composition is preferably used. In such an oxide insulating film, part of oxygen is released by heating.

トランジスタ100は、第2のゲート電極105bが半導体層102の全域を覆わない構成であるため、トランジスタの作製工程における熱処理により、絶縁層108から放出された酸素が絶縁層106を介して半導体層102に供給され、半導体層102内の酸素欠損を補填し、半導体層102中の酸素欠損を低減することが可能となる。   Since the transistor 100 has a structure in which the second gate electrode 105b does not cover the entire semiconductor layer 102, oxygen released from the insulating layer 108 due to heat treatment in the manufacturing process of the transistor is interposed through the insulating layer 106 in the semiconductor layer 102. The oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 can be compensated and the oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 can be reduced.

ここで、図9(C)に示すように、トランジスタ100のチャネル幅方向の断面において、半導体層102が第1のゲート電極105aと第2のゲート電極105bに囲われた形状となっている。また、第1のゲート電極105aは、半導体層102の上面だけでなく、チャネル幅方向の端部も覆うように設けられている。このような構成とすることで、第1のゲート電極105aからの電界が半導体層102に対して縦方向だけでなく横方向からもかかるため、半導体層102のチャネルの形成される領域が拡大し、トランジスタ100のオン電流をさらに増大させることができる。   Here, as illustrated in FIG. 9C, the semiconductor layer 102 is surrounded by the first gate electrode 105 a and the second gate electrode 105 b in the cross section of the transistor 100 in the channel width direction. Further, the first gate electrode 105 a is provided so as to cover not only the upper surface of the semiconductor layer 102 but also an end portion in the channel width direction. With such a structure, since the electric field from the first gate electrode 105a is applied not only in the vertical direction but also in the horizontal direction with respect to the semiconductor layer 102, the region where the channel of the semiconductor layer 102 is formed is enlarged. The on-state current of the transistor 100 can be further increased.

[各構成要素について]
以下では、トランジスタ100の各構成要素について説明する。
[About each component]
Hereinafter, each component of the transistor 100 will be described.

〔半導体層〕
半導体層102に酸化物半導体を用いる場合、インジウム、亜鉛のうち少なくとも一つを含む酸化物半導体を用いることが好ましい。代表的には、In−Ga−Zn系金属酸化物などが挙げられる。シリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい酸化物半導体を用いるとオフ状態におけるリーク電流を抑制できるため好ましい。
[Semiconductor layer]
In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor layer 102, an oxide semiconductor containing at least one of indium and zinc is preferably used. Typically, an In—Ga—Zn-based metal oxide or the like can be given. It is preferable to use an oxide semiconductor with a wider band gap and lower carrier density than silicon because leakage current in an off state can be suppressed.

半導体層102は、酸化物半導体膜を単層で用いてもよいし、組成の異なる酸化物半導体膜を積層して用いてもよい。   As the semiconductor layer 102, an oxide semiconductor film may be used as a single layer, or oxide semiconductor films having different compositions may be stacked.

例えば、酸化物半導体膜を2層積層した構成とし、第1のゲート電極105a側に近い酸化物半導体膜に、その伝導帯の下端のエネルギーが下層の酸化物半導体膜よりも高い材料を用いる。または、酸化物半導体膜を3層以上積層した構成とし、内側に設けられる酸化物半導体膜に、その伝導帯の下端のエネルギーが他に比べて低い材料を用いる。このような構成とすることで、伝導帯の下端のエネルギーが最も低い酸化物半導体膜に主としてチャネルが形成される。   For example, a structure in which two layers of oxide semiconductor films are stacked and a material whose lower energy of the conduction band is higher than that of a lower oxide semiconductor film is used for the oxide semiconductor film close to the first gate electrode 105a side. Alternatively, a structure in which three or more oxide semiconductor films are stacked is used, and a material having lower energy in the lower end of its conduction band is used for the oxide semiconductor film provided inside. With such a structure, a channel is mainly formed in the oxide semiconductor film having the lowest energy at the lower end of the conduction band.

酸化物半導体膜にIn−M−Zn酸化物を適用した場合、膜中のMの原子数比に対するInの原子数比の割合が大きいほど、伝導帯の下端のエネルギーを低いものとすることができる。またZnの割合が大きいほど、結晶構造の安定性が高まる。またMの割合が大きいほど、酸化物半導体膜からの酸素の放出を抑制できる。   In the case where an In-M-Zn oxide is used for the oxide semiconductor film, the energy at the lower end of the conduction band may be decreased as the ratio of the In atomic ratio to the M atomic ratio in the film increases. it can. Moreover, the stability of the crystal structure increases as the proportion of Zn increases. Further, as the proportion of M is larger, release of oxygen from the oxide semiconductor film can be suppressed.

主としてチャネルが形成され、主な電流経路となる酸化物半導体膜に接して、同じ構成元素を含む酸化物半導体膜を設けることで、これらの界面準位の生成が抑制され、トランジスタの電気特性における信頼性が向上する。さらに、主としてチャネルが形成される酸化物半導体膜に対して、これに接して設けられる酸化物半導体膜には、Mの原子数比が大きい材料を用いると、主としてチャネルが形成される酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。   By providing an oxide semiconductor film that includes the same constituent elements in contact with the oxide semiconductor film that is mainly formed with a channel and serves as a main current path, generation of these interface states is suppressed, and the electrical characteristics of the transistor Reliability is improved. Further, when a material having a large atomic ratio of M is used for an oxide semiconductor film which is provided in contact with an oxide semiconductor film in which a channel is mainly formed, the oxide semiconductor in which a channel is mainly formed Oxygen vacancies in the film can be reduced.

なお、半導体層102に適用することのできる酸化物半導体の好ましい形態とその形成方法については、後の実施の形態で詳細に説明する。   Note that a preferable embodiment of an oxide semiconductor that can be applied to the semiconductor layer 102 and a formation method thereof will be described in detail in later embodiments.

また、酸化物半導体以外の半導体として、シリコンのほか、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはダイヤモンドなどのシリコンよりもバンドギャップの大きな半導体を用いることもできる。作製の容易性、電気特性の安定性などの観点から、酸化物半導体を用いることが好ましい。   In addition to silicon, a semiconductor having a larger band gap than silicon such as silicon carbide, gallium nitride, or diamond can be used as a semiconductor other than an oxide semiconductor. An oxide semiconductor is preferably used from the viewpoints of ease of manufacture, stability of electrical characteristics, and the like.

以下では特に断りのない限り、半導体層102に酸化物半導体を適用した場合について説明する。   Hereinafter, a case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor layer 102 is described unless otherwise specified.

〔基板〕
基板101の材質などに大きな制限はないが、少なくとも工程にかかる熱に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)基板などを、基板101として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板または多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することもできる。
〔substrate〕
There is no particular limitation on the material of the substrate 101, but a material having heat resistance enough to withstand the heat applied to the process is used. For example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a yttria stabilized zirconia (YSZ) substrate, or the like may be used as the substrate 101. Alternatively, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used.

また、各種半導体基板やSOI基板上に半導体素子が設けられたものを、基板101として用いてもよい。その場合、基板101上に層間絶縁層を介してトランジスタ100を形成する。このとき、当該層間絶縁層に埋め込まれた接続電極により、トランジスタ100の第1のゲート電極105a、第2のゲート電極105b、第1の電極103a、第2の電極103bなどの電極のうち少なくとも一つが、上記半導体素子と電気的に接続する構成とすればよい。半導体素子上に層間絶縁層を介してトランジスタ100を設けることにより、これらを同一平面上に形成した場合に比べて占有面積を縮小することができる。   In addition, a substrate in which a semiconductor element is provided over various semiconductor substrates or SOI substrates may be used as the substrate 101. In that case, the transistor 100 is formed over the substrate 101 with an interlayer insulating layer interposed therebetween. At this time, at least one of electrodes such as the first gate electrode 105a, the second gate electrode 105b, the first electrode 103a, and the second electrode 103b of the transistor 100 is formed by the connection electrode embedded in the interlayer insulating layer. However, it may be configured to be electrically connected to the semiconductor element. By providing the transistor 100 over the semiconductor element with an interlayer insulating layer interposed therebetween, the occupied area can be reduced as compared with the case where they are formed over the same plane.

〔ゲート電極〕
第1のゲート電極105a、第2のゲート電極105bは、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングし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等のシリサイドを用いてもよい。また、ゲート電極105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膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。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一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくはこれらの窒化膜を用いてもよい。
[Gate electrode]
The first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b are formed using a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, an alloy containing the above-described metal as a component, or a combination of the above-described metals. It can be formed by using an alloy or the like. Further, a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used. Alternatively, a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used. The gate electrode 105 may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film Layer structure, two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or tungsten nitride film, a three-layer structure in which a titanium film, an aluminum film is stacked on the titanium film, and a titanium film is further formed thereon is there. Alternatively, an alloy film in which one or a plurality of metals selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined with aluminum, or a nitride film thereof may be used.

また、第1のゲート電極105a、第2のゲート電極105bは、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等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、上記金属の積層構造とすることもできる。   The first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b are formed using indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, or titanium oxide. A light-transmitting conductive material such as indium tin oxide, indium zinc oxide, or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal can be used.

また、第1のゲート電極105aと絶縁層104の間、または第2のゲート電極105bと絶縁層106の間に、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜、In−Sn系酸窒化物半導体膜、In−Ga系酸窒化物半導体膜、In−Zn系酸窒化物半導体膜、Sn系酸窒化物半導体膜、In系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜(InN、ZnN等)等を設けてもよい。これらの膜は5eV、好ましくは5.5eV以上の仕事関数を有し、酸化物半導体の電子親和力よりも大きい値であるため、酸化物半導体を用いたトランジスタのしきい値電圧をプラスにシフトすることができ、所謂ノーマリーオフ特性のスイッチング素子を実現できる。例えば、In−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる場合、少なくとも半導体層102より高い窒素濃度、具体的には7原子%以上のIn−Ga−Zn系酸窒化物半導体膜を用いる。   In addition, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film or an In—Sn-based oxynitride semiconductor is provided between the first gate electrode 105 a and the insulating layer 104 or between the second gate electrode 105 b and the insulating layer 106. Film, In—Ga-based oxynitride semiconductor film, In—Zn-based oxynitride semiconductor film, Sn-based oxynitride semiconductor film, In-based oxynitride semiconductor film, metal nitride film (InN, ZnN, etc.), etc. May be. These films have a work function of 5 eV, preferably 5.5 eV or more, and have a value larger than the electron affinity of the oxide semiconductor, so that the threshold voltage of a transistor including the oxide semiconductor is shifted to plus. Therefore, a switching element having a so-called normally-off characteristic can be realized. For example, in the case of using an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film, an In—Ga—Zn-based oxynitride semiconductor film having a nitrogen concentration higher than that of the semiconductor layer 102, specifically, 7 atomic% or more is used.

〔ゲート絶縁層〕
絶縁層104及び絶縁層106は、ゲート絶縁層として機能する。
[Gate insulation layer]
The insulating layer 104 and the insulating layer 106 function as a gate insulating layer.

絶縁層104及び絶縁層106は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはGa−Zn系金属酸化物、窒化シリコンなどを用いればよく、積層または単層で設ける。   For the insulating layer 104 and the insulating layer 106, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, gallium oxide, a Ga—Zn-based metal oxide, silicon nitride, or the like may be used. Provided.

また、絶縁層104及び絶縁層106として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAl)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いてもよい。 As the insulating layer 104 and the insulating layer 106, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate added with nitrogen (HfSi x O y N z ), or hafnium aluminate added with nitrogen (HfAl x O y N z ) Alternatively, a high-k material such as hafnium oxide or yttrium oxide may be used.

なお、特定の材料をゲート絶縁層に用いると、特定の条件でゲート絶縁層に電子を捕獲せしめて、しきい値電圧を増大させることもできる。例えば、酸化シリコンと酸化ハフニウムの積層膜のように、ゲート絶縁層の一部に酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用い、より高い温度(半導体装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、125℃以上450℃以下、代表的には150℃以上300℃以下)の下で、ゲート電極の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、1秒以上、代表的には1分以上維持することで、半導体層からゲート電極に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位に捕獲される。   Note that when a specific material is used for the gate insulating layer, the threshold voltage can be increased by trapping electrons in the gate insulating layer under specific conditions. For example, a material having a high electron capture level, such as hafnium oxide, aluminum oxide, or tantalum oxide, is used for a part of the gate insulating layer, such as a stacked film of silicon oxide and hafnium oxide. The temperature of the gate electrode is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode at a temperature higher than the temperature or storage temperature, or 125 ° C. to 450 ° C., typically 150 ° C. to 300 ° C. By maintaining for 1 second or more, typically 1 minute or more, electrons move from the semiconductor layer toward the gate electrode, and some of them are captured by the electron capture level.

このように電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。ゲート電極の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。また、電子を捕獲せしめる処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。   As described above, the threshold voltage of the transistor that captures an amount of electrons necessary for the electron capture level is shifted to the positive side. The amount of electrons captured can be controlled by controlling the voltage of the gate electrode, and the threshold voltage can be controlled accordingly. Further, the process for trapping electrons may be performed in the manufacturing process of the transistor.

例えば、トランジスタのソース電極あるいはドレイン電極に接続する配線メタルの形成後、あるいは、前工程(ウェハー処理)の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階でおこなうとよい。いずれの場合にも、その後に125℃以上の温度に1時間以上さらされないことが好ましい。   For example, after the formation of the wiring metal connected to the source or drain electrode of the transistor, after the completion of the previous process (wafer processing), after the wafer dicing process, after packaging, etc. You should do it. In any case, it is preferable that the film is not subsequently exposed to a temperature of 125 ° C. or higher for 1 hour or longer.

〔第1の電極、第2の電極〕
第1の電極103a及び第2の電極103bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンからなる単体金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
[First electrode, second electrode]
The first electrode 103a and the second electrode 103b are each made of a single metal made of aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component. Used as a layered structure or a laminated structure. For example, a single layer structure of an aluminum film containing silicon, a two layer structure in which an aluminum film is stacked on a titanium film, a two layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film, and a copper film on a copper-magnesium-aluminum alloy film Two-layer structure to stack, two-layer structure to stack a copper film on a titanium film, two-layer structure to stack a copper film on a tungsten film, a titanium film or a titanium nitride film, and an overlay on the titanium film or titanium nitride film A three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is stacked and a titanium film or a titanium nitride film is further formed thereon, a molybdenum film or a molybdenum nitride film, and an aluminum film or a copper layer stacked on the molybdenum film or the molybdenum nitride film There is a three-layer structure in which films are stacked and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.

〔絶縁層〕
絶縁層106及び絶縁層108は、半導体層102に酸素を供給する機能を有するほか、基板101に含有される不純物が拡散することを防ぐ機能を有していてもよい。
[Insulating layer]
The insulating layer 106 and the insulating layer 108 may have a function of supplying oxygen to the semiconductor layer 102 and a function of preventing impurities contained in the substrate 101 from diffusing.

絶縁層106及び絶縁層108は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法(TDS:Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物絶縁膜である。 The insulating layer 106 and the insulating layer 108 are preferably formed using an oxide insulating film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition. Part of oxygen is released by heating from the oxide insulating film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition. An oxide insulating film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is desorbed in terms of oxygen atoms by thermal desorption gas spectroscopy (TDS) analysis. The oxide insulating film has an amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more.

このような絶縁膜を絶縁層106及び絶縁層108に用いることで、作製工程中の加熱処理などにより半導体層102に酸素を供給し、半導体層102中の酸素欠損を低減することができる。   By using such an insulating film for the insulating layer 106 and the insulating layer 108, oxygen can be supplied to the semiconductor layer 102 by heat treatment or the like in the manufacturing process, so that oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 can be reduced.

絶縁層107は、酸素を透過しにくい材料を用いることができる。また、水素や水を透過しにくい性質を持たせることが好ましい。絶縁層107に用いることのできる、酸素を透過しにくい材料としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の絶縁材料を用いることができる。特に上述の材料は、酸素、水素、水が透過しない材料である。絶縁層107としてこのような材料を用いることで、絶縁層106及び絶縁層108から放出される酸素の外部への拡散と、外部から半導体層102等への水素、水等の侵入を同時に抑制することができる。   The insulating layer 107 can be formed using a material that does not easily transmit oxygen. Moreover, it is preferable to give the property of being hard to permeate hydrogen or water. Examples of the material that can be used for the insulating layer 107 and hardly transmit oxygen include silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and oxide. An insulating material such as hafnium nitride can be used. In particular, the above materials are materials that do not allow oxygen, hydrogen, and water to pass therethrough. By using such a material for the insulating layer 107, diffusion of oxygen released from the insulating layer 106 and the insulating layer 108 to the outside and entry of hydrogen, water, and the like from the outside into the semiconductor layer 102 and the like can be suppressed at the same time. be able to.

なお、絶縁層107の下層に、絶縁層106と同様の酸素を放出する層を設けてもよい。また、絶縁層107よりも上層に配線などの構造物を設ける場合には、絶縁層107上に平坦化層として機能する絶縁層を設けてもよい。   Note that a layer that releases oxygen similar to the insulating layer 106 may be provided below the insulating layer 107. In the case where a structure such as a wiring is provided above the insulating layer 107, an insulating layer functioning as a planarization layer may be provided over the insulating layer 107.

以上が各構成要素についての説明である。   The above is the description of each component.

[変形例]
以下では、上記トランジスタ100とは構成の一部の異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。また、構成要素の位置や形状が異なる場合であっても、その機能が同等である場合には、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
[Modification]
Hereinafter, a structural example of a transistor having a part of the structure different from that of the transistor 100 will be described. In addition, description is abbreviate | omitted about the part which overlaps with the above, and a difference is demonstrated in detail. Further, even when the positions and shapes of the constituent elements are different, the same reference numerals may be attached and the description may be omitted if the functions are the same.

〔変形例1〕
図10(A)に以下で例示するトランジスタの断面概略図を示す。なお、上面概略図については図9(A)を援用できる。図10(A)に示すトランジスタは、上記トランジスタ100と比較して絶縁層104の形状が異なる点で相違している。具体的には、絶縁層104の一部が絶縁層106と接し、且つ、第1の電極103a及び第2の電極103bの上面を覆って設けられている。
[Modification 1]
FIG. 10A is a schematic cross-sectional view of a transistor exemplified below. Note that FIG. 9A can be used for a schematic top view. The transistor illustrated in FIG. 10A is different from the transistor 100 in that the shape of the insulating layer 104 is different. Specifically, a part of the insulating layer 104 is in contact with the insulating layer 106 and covers the top surfaces of the first electrode 103a and the second electrode 103b.

このような構成とすることで、ゲート電極105aの加工時に絶縁層104をエッチングストッパとして機能させることができ、第1の電極103a及び第2の電極103bの当該エッチング工程における意図しない薄膜化を抑制できる。   With such a structure, the insulating layer 104 can function as an etching stopper when the gate electrode 105a is processed, and unintended thinning of the first electrode 103a and the second electrode 103b in the etching process is suppressed. it can.

〔変形例2〕
本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体層と、該酸化物半導体層と重なる絶縁層との間に、酸化物半導体層を構成する金属元素のうち、少なくとも一の金属元素を構成要素として含む酸化物層を有することが好ましい。これにより、酸化物半導体層と該酸化物半導体層と重なる絶縁層との界面にトラップ準位が形成されることを抑制することができる。
[Modification 2]
In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, at least one of the metal elements included in the oxide semiconductor layer is included as a component between the oxide semiconductor layer and the insulating layer overlapping with the oxide semiconductor layer. It is preferable to have an oxide layer included as Accordingly, formation of trap levels at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating layer overlapping with the oxide semiconductor layer can be suppressed.

すなわち、本発明の一態様は、酸化物半導体層の少なくともチャネル形成領域における上面または底面、若しくはその両方が、酸化物半導体層の界面準位形成防止のためのバリア膜として機能する酸化物層に接する構成とすることが好ましい。このような構成とすることにより、酸化物半導体中及び界面においてキャリアの生成要因となる酸素欠損の生成及び不純物の混入を抑制することが可能となるため、酸化物半導体層を高純度真性化することができる。高純度真性化とは、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることをいう。よって、当該酸化物半導体層を含むトランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。   In other words, according to one embodiment of the present invention, an oxide layer in which at least a top surface and / or a bottom surface of a channel formation region of the oxide semiconductor layer functions as a barrier film for preventing formation of an interface state of the oxide semiconductor layer. It is preferable to have a configuration in contact. With such a structure, generation of oxygen vacancies that cause carriers to be generated in the oxide semiconductor and the interface and the introduction of impurities can be suppressed, so that the oxide semiconductor layer is highly purified and intrinsic. be able to. High purity intrinsic refers to making an oxide semiconductor layer intrinsic or substantially intrinsic. Therefore, a change in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor layer can be suppressed and a highly reliable semiconductor device can be provided.

なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体層のキャリア密度は、1×1017/cm未満、1×1015/cm未満、または1×1013/cm未満である。酸化物半導体層を高純度真性化することで、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。 Note that in this specification and the like, the carrier density of the oxide semiconductor layer is less than 1 × 10 17 / cm 3, less than 1 × 10 15 / cm 3 , or less than 1 × 10 13 / cm 3 when it is substantially intrinsic. It is. By making the oxide semiconductor layer highly purified and intrinsic, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor.

より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。   More specifically, for example, the following configuration can be adopted.

図10(B)に、以下で例示するトランジスタの断面概略図を示す。なお、上面概略図については図9(A)を援用できる。図10(B)に示すトランジスタは、主に第1の酸化物層121及び第2の酸化物層122を有している点で相違している。   FIG. 10B is a schematic cross-sectional view of a transistor exemplified below. Note that FIG. 9A can be used for a schematic top view. The transistor illustrated in FIG. 10B is different in that it mainly includes a first oxide layer 121 and a second oxide layer 122.

第1の酸化物層121は、絶縁層106と半導体層102の間に設けられている。   The first oxide layer 121 is provided between the insulating layer 106 and the semiconductor layer 102.

第2の酸化物層122は、半導体層102と絶縁層104の間に設けられている。より具体的には、第2の酸化物層122は、その上面が第1の電極103a及び第2の電極103bの下面、及び絶縁層104の下面に接して設けられている。   The second oxide layer 122 is provided between the semiconductor layer 102 and the insulating layer 104. More specifically, the upper surface of the second oxide layer 122 is provided in contact with the lower surfaces of the first electrode 103 a and the second electrode 103 b and the lower surface of the insulating layer 104.

第1の酸化物層121及び第2の酸化物層122は、それぞれ半導体層102と同一の金属元素を一種以上含む酸化物を含む。   The first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 each include an oxide containing one or more metal elements that are the same as those of the semiconductor layer 102.

なお、半導体層102と第1の酸化物層121の境界、及び半導体層102と第2の酸化物層122の境界は、不明瞭である場合がある。   Note that the boundary between the semiconductor layer 102 and the first oxide layer 121 and the boundary between the semiconductor layer 102 and the second oxide layer 122 may be unclear.

例えば、第1の酸化物層121および第2の酸化物層122は、In若しくはGaを含み、代表的には、In−Ga系酸化物、In−Zn系酸化物、In−M−Zn系酸化物(MはAl、Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)であり、且つ半導体層102よりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近い材料を用いる。代表的には、第1の酸化物層121または第2の酸化物層122の伝導帯の下端のエネルギーと、半導体層102の伝導帯の下端のエネルギーとの差が、0.05eV以上、0.07eV以上、0.1eV以上、または0.15eV以上、且つ2eV以下、1eV以下、0.5eV以下、または0.4eV以下とすることが好ましい。   For example, the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 include In or Ga, and are typically In—Ga based oxide, In—Zn based oxide, or In—M—Zn based. A material which is an oxide (M is Al, Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, or Hf) and whose energy at the lower end of the conduction band is closer to a vacuum level than the semiconductor layer 102 is used. Typically, the difference between the energy at the lower end of the conduction band of the first oxide layer 121 or the second oxide layer 122 and the energy at the lower end of the conduction band of the semiconductor layer 102 is 0.05 eV or more, 0 0.07 eV or more, 0.1 eV or more, or 0.15 eV or more, and 2 eV or less, 1 eV or less, 0.5 eV or less, or 0.4 eV or less is preferable.

半導体層102を挟むように設けられる第1の酸化物層121及び第2の酸化物層122に、半導体層102に比べてスタビライザとして機能するGaの含有量の多い酸化物を用いることにより、半導体層102からの酸素の放出を抑制することができる。   The first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 which are provided so as to sandwich the semiconductor layer 102 are formed using an oxide having a higher Ga content which functions as a stabilizer than the semiconductor layer 102. Release of oxygen from the layer 102 can be suppressed.

半導体層102として、例えばIn:Ga:Zn=1:1:1または3:1:2の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物を用いた場合、第1の酸化物層121または第2の酸化物層122として、例えばIn:Ga:Zn=1:3:2、1:3:4、1:3:6、1:6:4、1:6:8、1:6:10、または1:9:6などの原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物を用いることができる。なお、半導体層102、第1の酸化物層121および第2の酸化物層122の原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス20%の変動を含む。また、第1の酸化物層121と第2の酸化物層122は、組成の同じ材料を用いてもよいし、異なる組成の材料を用いてもよい。   For example, when an In—Ga—Zn-based oxide with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or 3: 1: 2 is used as the semiconductor layer 102, the first oxide layer 121 or the first oxide layer 121 As the two oxide layers 122, for example, In: Ga: Zn = 1: 3: 2, 1: 3: 4, 1: 3: 6, 1: 6: 4, 1: 6: 8, 1: 6: 10. Alternatively, an In—Ga—Zn-based oxide with an atomic ratio of 1: 9: 6 or the like can be used. Note that the atomic ratios of the semiconductor layer 102, the first oxide layer 121, and the second oxide layer 122 each include a variation of plus or minus 20% of the above atomic ratio as an error. For the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122, materials having the same composition may be used, or materials having different compositions may be used.

また、半導体層102としてIn−M−Zn系酸化物を用いた場合、半導体層102となる半導体膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x:y:zとしたときに、x/yの値が1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下であり、z/yが1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、z/yを6以下とすることで、後述するCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:1:1、3:1:2などがある。 In the case where an In-M-Zn-based oxide is used for the semiconductor layer 102, a target used for forming a semiconductor film to be the semiconductor layer 102 has an atomic ratio of metal elements contained in the target of In: When M: Zn = x 1 : y 1 : z 1 , the value of x 1 / y 1 is 1/3 or more and 6 or less, preferably 1 or more and 6 or less, and z 1 / y 1 is 1/3. It is preferable to use an oxide having an atomic ratio of 6 or more, preferably 1 or more and 6 or less. Note that by setting z 1 / y 1 to 6 or less, a CAAC-OS film described later can be easily formed. Typical examples of the atomic ratio of the target metal element include In: M: Zn = 1: 1: 1, 3: 1: 2.

また、第1の酸化物層121、第2の酸化物層122としてIn−M−Zn系酸化物を用いた場合、第1の酸化物層121、第2の酸化物層122となる酸化物膜を成膜するために用いるターゲットは、該ターゲットが含有する金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x:y:zとしたときに、x/y<x/yであり、z/yの値が1/3以上6以下、好ましくは1以上6以下の原子数比の酸化物を用いることが好ましい。なお、z/yを6以下とすることで、後述するCAAC−OS膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、In:M:Zn=1:3:4、1:3:6、1:3:8などがある。 In addition, in the case where an In-M-Zn-based oxide is used for the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122, the oxide to be the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 The target used for forming the film is x 2 / y 2 <x 1 when the atomic ratio of the metal elements contained in the target is In: M: Zn = x 2 : y 2 : z 2. / Y 1 and an oxide having an atomic ratio of z 2 / y 2 of 1/3 to 6 and preferably 1 to 6 is preferably used. Note that by setting z 2 / y 2 to 6 or less, a CAAC-OS film described later can be easily formed. Typical examples of the atomic ratio of the target metal element include In: M: Zn = 1: 3: 4, 1: 3: 6, and 1: 3: 8.

また、第1の酸化物層121および第2の酸化物層122に、半導体層102に比べて伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近い材料を用いることにより、半導体層102に主としてチャネルが形成され、半導体層102が主な電流経路となる。このように、チャネルが形成される半導体層102を、同じ金属元素を含む第1の酸化物層121及び第2の酸化物層122で挟持することにより、これらの界面準位の生成が抑制され、トランジスタの電気特性における信頼性が向上する。   In addition, when the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 are formed using a material whose energy at the lower end of the conduction band is close to a vacuum level as compared with the semiconductor layer 102, a channel is mainly formed in the semiconductor layer 102. The semiconductor layer 102 is formed as a main current path. In this manner, by sandwiching the semiconductor layer 102 in which a channel is formed between the first oxide layer 121 and the second oxide layer 122 containing the same metal element, generation of these interface states is suppressed. This improves the reliability of the electrical characteristics of the transistor.

なお、これに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層102、第1の酸化物層121、第2の酸化物層122のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。   Note that the composition is not limited thereto, and a transistor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics and electrical characteristics (field-effect mobility, threshold voltage, variation, and the like) of the transistor. In addition, in order to obtain necessary semiconductor characteristics of the transistor, the carrier density, impurity concentration, defect density, and number of metal elements and oxygen atoms of the semiconductor layer 102, the first oxide layer 121, and the second oxide layer 122 It is preferable to make the ratio, interatomic distance, density, etc. appropriate.

ここで、半導体層102の厚さは、少なくとも第1の酸化物層121よりも厚く形成することが好ましい。半導体層102が厚いほど、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、第1の酸化物層121は、半導体層102の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、半導体層102の厚さは、第1の酸化物層121の厚さに対して1倍よりも大きく、好ましくは2倍以上、より好ましくは4倍以上、より好ましくは6倍以上とすればよい。なお、トランジスタのオン電流を高める必要のない場合にはその限りでなく、第1の酸化物層121の厚さを半導体層102の厚さ以上としてもよい。   Here, the semiconductor layer 102 is preferably formed to be thicker than at least the first oxide layer 121. The thicker the semiconductor layer 102, the higher the on-state current of the transistor. The first oxide layer 121 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of the interface state of the semiconductor layer 102. For example, the thickness of the semiconductor layer 102 is more than 1 time, preferably 2 times or more, more preferably 4 times or more, more preferably 6 times or more with respect to the thickness of the first oxide layer 121. That's fine. Note that this is not limited to the case where it is not necessary to increase the on-state current of the transistor, and the thickness of the first oxide layer 121 may be greater than or equal to the thickness of the semiconductor layer 102.

また、第2の酸化物層122も第1の酸化物層121と同様に、半導体層102の界面準位の生成を抑制する効果が失われない程度の厚さであればよい。例えば、第1の酸化物層121と同等またはそれ以下の厚さとすればよい。第2の酸化物層122が厚いと、第1のゲート電極105aによる電界が半導体層102に届きにくくなる恐れがあるため、第2の酸化物層122は薄く形成することが好ましい。例えば、半導体層102の厚さよりも薄くすればよい。なおこれに限られず、第2の酸化物層122の厚さは絶縁層104の耐圧などを考慮して、トランジスタを駆動させる電圧に応じて適宜設定すればよい。   Similarly to the first oxide layer 121, the second oxide layer 122 may have a thickness that does not lose the effect of suppressing the generation of the interface state of the semiconductor layer 102. For example, the thickness may be equal to or less than that of the first oxide layer 121. If the second oxide layer 122 is thick, the electric field generated by the first gate electrode 105a may not easily reach the semiconductor layer 102. Therefore, the second oxide layer 122 is preferably formed thin. For example, the thickness may be smaller than the thickness of the semiconductor layer 102. Note that the thickness of the second oxide layer 122 is not limited to this, and may be set as appropriate depending on the voltage for driving the transistor in consideration of the withstand voltage of the insulating layer 104 and the like.

ここで、例えば半導体層102が、構成元素の異なる絶縁層(例えば酸化シリコン膜を含む絶縁層など)と接する場合、これらの界面に界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成することがある。このような場合、しきい値電圧の異なる第2のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、本構成のトランジスタにおいては、半導体層102を構成する金属元素を一種以上含んで第1の酸化物層121を有しているため、第1の酸化物層121と半導体層102との界面に界面準位を形成しにくくなる。よって第1の酸化物層121を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきや変動を低減することができる。   Here, for example, when the semiconductor layer 102 is in contact with an insulating layer having a different constituent element (eg, an insulating layer including a silicon oxide film), an interface state is formed at the interface, and the interface state forms a channel. Sometimes. In such a case, a second transistor having a different threshold voltage appears, and the apparent threshold voltage of the transistor may fluctuate. However, since the transistor having this structure includes the first oxide layer 121 containing one or more metal elements included in the semiconductor layer 102, the interface between the first oxide layer 121 and the semiconductor layer 102 is included. It becomes difficult to form interface states. Therefore, by providing the first oxide layer 121, variation or fluctuation in electrical characteristics such as threshold voltage of the transistor can be reduced.

また、絶縁層104と半導体層102との界面にチャネルが形成される場合、該界面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低下する。しかしながら、本構成のトランジスタにおいては、半導体層102を構成する金属元素を一種以上含んで第2の酸化物層122を有しているため、半導体層102と第2の酸化物層122との界面ではキャリアの散乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。   In addition, when a channel is formed at the interface between the insulating layer 104 and the semiconductor layer 102, interface scattering occurs at the interface, and the field-effect mobility of the transistor is reduced. However, since the transistor having this structure includes the second oxide layer 122 containing one or more metal elements included in the semiconductor layer 102, the interface between the semiconductor layer 102 and the second oxide layer 122 is used. Then, carrier scattering hardly occurs, and the field-effect mobility of the transistor can be increased.

〔変形例3〕
図10(C)に以下で例示するトランジスタの断面概略図を示す。なお上面概略図については図9(A)を援用できる。図10(C)に示すトランジスタは、主に第2の酸化物層122の形状が異なる点で、上記変形例2で示したトランジスタと相違している。
[Modification 3]
FIG. 10C is a schematic cross-sectional view of a transistor exemplified below. Note that FIG. 9A can be used for a schematic top view. The transistor illustrated in FIG. 10C is different from the transistor described in Modification 2 mainly in that the shape of the second oxide layer 122 is different.

第2の酸化物層122は、その下面が第1の電極103a及び第2の電極103bのそれぞれの上面に接して設けられている。さらに、第1の電極103a及び第2の電極103bが設けられていない領域において、半導体層102の上面に接して設けられている。   The lower surface of the second oxide layer 122 is provided in contact with the upper surfaces of the first electrode 103a and the second electrode 103b. Further, the first electrode 103 a and the second electrode 103 b are provided in contact with the upper surface of the semiconductor layer 102 in a region where the first electrode 103 a and the second electrode 103 b are not provided.

図10(C)に示す構成では、第2の酸化物層122及び絶縁層104の上面形状が、第1のゲート電極105aの上面形状と概略一致するように、同一のフォトマスクを用いて加工されている。   In the structure illustrated in FIG. 10C, processing is performed using the same photomask so that the top surface shapes of the second oxide layer 122 and the insulating layer 104 substantially match the top surface shape of the first gate electrode 105a. Has been.

なお、本明細書等において、「上面形状が概略一致」とは、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、または一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重なりあわず、上層が下層の内側に位置することや、上層が下層の外側に位置することもあり、この場合も「上面形状が概略一致」という。   Note that in this specification and the like, “the upper surface shape is approximately the same” means that at least a part of the contour overlaps between the stacked layers. For example, the case where the upper layer and the lower layer are processed by the same mask pattern or a part thereof by the same mask pattern is included. However, strictly speaking, the contours do not overlap, and the upper layer may be located inside the lower layer, or the upper layer may be located outside the lower layer.

このような構成とすることで、第1の電極103a及び第2の電極103bと、チャネルが形成される半導体層102との接触面積を増大させることができ、これらの接触抵抗を低減することができる。その結果、トランジスタのオン電流を増大させることができる。   With such a structure, the contact area between the first electrode 103a and the second electrode 103b and the semiconductor layer 102 in which the channel is formed can be increased, and the contact resistance can be reduced. it can. As a result, the on-state current of the transistor can be increased.

以上が変形例についての説明である。   The above is the description of the modified example.

[作製方法例]
以下では、図9に示したトランジスタ100の作製方法の一例について、図面を参照して説明する。図11は、トランジスタ100の作製工程にかかる各段階における断面概略図である。
[Example of production method]
An example of a method for manufacturing the transistor 100 illustrated in FIGS. 9A to 9C is described below with reference to drawings. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view at each stage in the manufacturing process of the transistor 100.

〔第2のゲート電極の形成〕
まず、基板101上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する、その後、レジストマスクを除去することにより、第2のゲート電極105bを形成することができる。
[Formation of Second Gate Electrode]
First, a conductive film is formed over the substrate 101. Thereafter, a resist mask is formed over the conductive film by using a photolithography method or the like, unnecessary portions of the conductive film are removed by etching, and then the resist mask is removed to form the second gate electrode 105b. Can do.

導電膜は、例えばスパッタリング法、蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより成膜することができる。   The conductive film can be formed by, for example, a sputtering method, an evaporation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like.

なお、導電膜の成膜前に、基板101上にバリア層として機能する絶縁層を形成しておいてもよい。   Note that an insulating layer functioning as a barrier layer may be formed over the substrate 101 before the conductive film is formed.

レジストマスクの形成に用いる光は、例えばi線(波長365nm)、g線(波長436nm)、h線(波長405nm)、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やKrFレーザ光、またはArFレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光(EUV:Extreme Ultra−violet)やX線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、X線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。   As light used for forming the resist mask, for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or light obtained by mixing them can be used. In addition, ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can be used. Further, exposure may be performed by an immersion exposure technique. Further, extreme ultraviolet light (EUV: Extreme Ultra-violet) or X-rays may be used as light used for exposure. Further, an electron beam can be used instead of the light used for exposure. It is preferable to use extreme ultraviolet light, X-rays, or an electron beam because extremely fine processing is possible. Note that a photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.

続いて、絶縁膜を形成する。該絶縁膜は、第2のゲート電極105aよりも厚く形成することが好ましい。続いて、第2のゲート電極105bの上面が露出するように、該絶縁膜に対してCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等を用いて平坦化処理を行うことにより、絶縁層108を形成することができる(図11(A))。   Subsequently, an insulating film is formed. The insulating film is preferably formed thicker than the second gate electrode 105a. Subsequently, the insulating layer 108 is formed by performing a planarization process on the insulating film using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like so that the upper surface of the second gate electrode 105b is exposed. Yes (FIG. 11A).

絶縁層108となる絶縁膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法などを用いて形成することができる。   The insulating film to be the insulating layer 108 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, or the like.

絶縁層108に酸素を過剰に含有させるには、例えば、酸素雰囲気下にて絶縁層108となる絶縁膜の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜に酸素を導入して酸素を過剰に含有させてもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。   In order to make the insulating layer 108 contain excessive oxygen, for example, an insulating film to be the insulating layer 108 may be formed in an oxygen atmosphere. Or oxygen may be introduce | transduced into the insulating film after film-forming, and oxygen may be contained excessively, and both means may be combined.

例えば、成膜後の絶縁膜に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating film after film formation to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素を導入する処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素を導入する処理において、酸素を含むガスに希ガスなどの希釈ガスを含ませてもよい。   For the treatment for introducing oxygen, a gas containing oxygen can be used. As the gas containing oxygen, oxygen, dinitrogen monoxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the treatment for introducing oxygen, a dilution gas such as a rare gas may be included in the gas containing oxygen.

なお、ここでは、第2のゲート電極105bを先に形成する方法を説明したが、絶縁層108となる絶縁膜を先に成膜してもよい。その場合は、基板101上に該絶縁膜を成膜し、フォトリソグラフィ法等によりレジストマスクを形成し、絶縁膜の不要な部分をエッチングにより除去して、第2のゲート電極105bが設けられる位置に凹部を形成する。その後、当該凹部を埋めるように導電膜を成膜し、絶縁膜の上面が露出するように平坦化処理を行うことで、絶縁層108と第2のゲート電極105bを形成することができる。   Note that although the method for forming the second gate electrode 105b first is described here, an insulating film to be the insulating layer 108 may be formed first. In that case, the insulating film is formed over the substrate 101, a resist mask is formed by a photolithography method or the like, an unnecessary portion of the insulating film is removed by etching, and the second gate electrode 105b is provided. A recess is formed in the surface. After that, a conductive film is formed so as to fill the concave portion, and planarization treatment is performed so that the upper surface of the insulating film is exposed, whereby the insulating layer 108 and the second gate electrode 105b can be formed.

〔絶縁層の形成〕
続いて、絶縁層106を形成する。絶縁層106は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。
(Formation of insulating layer)
Subsequently, the insulating layer 106 is formed. The insulating layer 106 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like.

絶縁層106は、上記絶縁層108と同様の方法により、酸素を過剰に含有させることが好ましい。   The insulating layer 106 preferably contains excess oxygen by a method similar to that of the insulating layer 108.

〔半導体層の形成〕
続いて、絶縁層106上に半導体膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて半導体膜上にレジストマスクを形成し、半導体膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、島状の半導体層102を形成することができる(図11(B))。
[Formation of semiconductor layer]
Subsequently, a semiconductor film is formed over the insulating layer 106. Thereafter, a resist mask is formed over the semiconductor film by using a photolithography method or the like, and unnecessary portions of the semiconductor film are removed by etching. After that, by removing the resist mask, the island-shaped semiconductor layer 102 can be formed (FIG. 11B).

半導体膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法、またはPLD法等を用いることができる。または、ゾルゲル法やスプレー法、ミスト法など、液状の材料を用いた薄膜形成技術を用いることもできる。半導体膜の成膜は、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法としては、RFスパッタリング法、DCスパッタリング法、ACスパッタリング法等を用いることができる。特に、成膜時に発生するゴミを低減でき、且つ膜厚分布も均一とすることから、DCスパッタリング法を用いることが好ましい。   The semiconductor film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. Alternatively, a thin film forming technique using a liquid material such as a sol-gel method, a spray method, or a mist method can also be used. The semiconductor film is preferably formed by a sputtering method. As the sputtering method, an RF sputtering method, a DC sputtering method, an AC sputtering method, or the like can be used. In particular, the DC sputtering method is preferably used because dust generated during film formation can be reduced and the film thickness distribution can be uniform.

半導体膜の成膜後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、絶縁層108や絶縁層106から半導体膜(または半導体層102)に酸素が供給され、半導体層102に含まれる酸化物半導体中の酸素欠損を低減できる。なお、加熱処理は、半導体膜を成膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の半導体層102を形成した後の工程で行ってもよい。   Heat treatment may be performed after the semiconductor film is formed. The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state. The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. By the heat treatment, oxygen is supplied from the insulating layer 108 or the insulating layer 106 to the semiconductor film (or the semiconductor layer 102), so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor included in the semiconductor layer 102 can be reduced. Note that the heat treatment may be performed immediately after the semiconductor film is formed, or may be performed in a step after the semiconductor film is processed to form the island-shaped semiconductor layer 102.

また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜(ここでは半導体膜)とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。また当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下層の段差を被覆するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上層に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばBARC(Bottom Anti−Reflection Coating)膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。   Further, an organic resin film having a function of improving adhesion between a film to be processed (here, a semiconductor film) and the resist film may be formed before forming a resist film to be a resist mask. In addition, the organic resin film can be formed so as to cover a step in the lower layer by, for example, a spin coating method, and variation in the thickness of the resist mask provided on the upper layer of the organic resin film can be reduced. In particular, when fine processing is performed, a material that functions as an antireflection film for light used for exposure is preferably used as the organic resin film. Examples of the organic resin film having such a function include a BARC (Bottom Anti-Reflection Coating) film. The organic resin film may be removed at the same time as the resist mask is removed or after the resist mask is removed.

半導体膜をエッチングするマスクとして、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。例えば、半導体膜上に無機膜または金属膜を成膜し、当該無機膜または金属膜を、レジストマスクを用いてエッチングして島状に加工しハードマスクを形成する。その後、ハードマスクをマスクとして半導体膜をエッチングし、ハードマスクを除去することにより島状の半導体膜を形成すればよい。特に微細な加工を行う場合には、ハードマスクを用いることで、レジストのサイドエッチに伴うバターン幅の縮小などを抑制し、半導体膜を安定した形状に加工できるため、トランジスタ100の電気特性のばらつきを低減できる。   As a mask for etching the semiconductor film, a hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used. For example, an inorganic film or a metal film is formed over the semiconductor film, and the inorganic film or the metal film is etched using an resist mask to be processed into an island shape to form a hard mask. After that, the semiconductor film may be etched using the hard mask as a mask, and the island-like semiconductor film may be formed by removing the hard mask. In particular, in the case of performing fine processing, by using a hard mask, reduction in pattern width due to resist side etching can be suppressed, and the semiconductor film can be processed into a stable shape. Can be reduced.

〔第1の電極及び第2の電極の形成〕
続いて、絶縁層106及び半導体層102上に導電膜を成膜する。その後フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成し、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、第1の電極103a及び第2の電極103bを形成することができる(図11(C))。
[Formation of first electrode and second electrode]
Subsequently, a conductive film is formed over the insulating layer 106 and the semiconductor layer 102. After that, a resist mask is formed over the conductive film using a photolithography method or the like, and unnecessary portions of the conductive film are removed by etching. After that, the resist mask is removed, whereby the first electrode 103a and the second electrode 103b can be formed (FIG. 11C).

導電膜は、例えばスパッタリング法、蒸着法、CVD法などにより成膜することができる。   The conductive film can be formed by, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, or the like.

ここで、導電膜のエッチングの際に、半導体層102の上部の一部がエッチングされ、第1の電極103a及び第2の電極103bと重ならない部分が薄膜化することがある。したがって、半導体層102となる半導体膜の厚さを、エッチングされる深さを考慮して予め厚く形成しておくことが好ましい。   Here, when the conductive film is etched, a part of the upper portion of the semiconductor layer 102 is etched, and a portion which does not overlap with the first electrode 103a and the second electrode 103b may be thinned. Therefore, it is preferable that the thickness of the semiconductor film to be the semiconductor layer 102 be formed thick in advance in consideration of the etching depth.

〔ゲート絶縁層、第1のゲート電極の形成〕
続いて、半導体層102、第1の電極103a、第2の電極103b、絶縁層106上に絶縁膜を成膜する。さらに、該絶縁膜上に導電膜を成膜する。
[Formation of gate insulating layer and first gate electrode]
Subsequently, an insulating film is formed over the semiconductor layer 102, the first electrode 103 a, the second electrode 103 b, and the insulating layer 106. Further, a conductive film is formed over the insulating film.

該絶縁膜は、後に絶縁層104となる絶縁膜である。該絶縁膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。   The insulating film is an insulating film that later becomes the insulating layer 104. The insulating film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved.

該導電膜は、後に第1のゲート電極105aとなる導電膜である。該導電膜は、例えばスパッタリング法、蒸着法、CVD法などにより成膜することができる。   The conductive film is a conductive film that later becomes the first gate electrode 105a. The conductive film can be formed by, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, or the like.

続いて、フォトリソグラフィ法等を用いて導電膜上にレジストマスクを形成する。その後、導電膜と絶縁膜の不要な部分を順にエッチングにより除去する。その後レジストマスクを除去することにより、第1のゲート電極105a及び絶縁層104を形成することができる(図11(D))。   Subsequently, a resist mask is formed over the conductive film by using a photolithography method or the like. Thereafter, unnecessary portions of the conductive film and the insulating film are sequentially removed by etching. After that, the resist mask is removed, whereby the first gate electrode 105a and the insulating layer 104 can be formed (FIG. 11D).

なお、導電膜をエッチングして第1のゲート電極105aを形成した後にレジストマスクを除去し、第1のゲート電極105aをハードマスクとして用いて絶縁層104の加工を行ってもよい。   Note that after the conductive film is etched to form the first gate electrode 105a, the resist mask may be removed, and the insulating layer 104 may be processed using the first gate electrode 105a as a hard mask.

〔絶縁層の形成〕
続いて、第1の電極103a、第2の電極103b、第1のゲート電極105a、絶縁層104、絶縁層106上に絶縁層107を形成する(図11(E))。
(Formation of insulating layer)
Subsequently, an insulating layer 107 is formed over the first electrode 103a, the second electrode 103b, the first gate electrode 105a, the insulating layer 104, and the insulating layer 106 (FIG. 11E).

絶縁層107は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、絶縁層107をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。   The insulating layer 107 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, the insulating layer 107 is preferably formed by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved.

以上の工程により、トランジスタ100を形成することができる。   Through the above steps, the transistor 100 can be formed.

〔加熱処理〕
絶縁層107の形成後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁層106及び絶縁層108や、絶縁層107から半導体層102に対して酸素を供給し、半導体層102中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁層107よりも内側に絶縁層106及び絶縁層108ならびに半導体層102から放出される酸素が効果的に閉じ込められ、当該酸素の外部への放出が抑制される。そのため絶縁層106や絶縁層108から放出され、半導体層102に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体層102中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
[Heat treatment]
Heat treatment may be performed after the insulating layer 107 is formed. By the heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating layer 106, the insulating layer 108, and the insulating layer 107 to the semiconductor layer 102, so that oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 can be reduced. At this time, oxygen released from the insulating layer 106, the insulating layer 108, and the semiconductor layer 102 is effectively confined inside the insulating layer 107, and release of the oxygen to the outside is suppressed. Therefore, the amount of oxygen released from the insulating layer 106 and the insulating layer 108 and supplied to the semiconductor layer 102 can be increased, and oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 can be effectively reduced.

以上がトランジスタ100の作製方法例についての説明である。   The above is the description of the method for manufacturing the transistor 100.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態2で例示したトランジスタとは構成の一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。なお、上記と重複する部分については説明を省略し、相違点について詳細に説明する。また、構成要素の位置や形状が異なる場合であっても、その機能が同等である場合には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a transistor whose structure is partly different from that of the transistor illustrated in Embodiment 2 will be described. In addition, description is abbreviate | omitted about the part which overlaps with the above, and a difference is demonstrated in detail. Further, even when the positions and shapes of the constituent elements are different, the same reference numerals may be attached and the description may be omitted if the functions are the same.

[構成例1]
図12(A)は、本構成例で示すトランジスタ200の上面概略図である。また図12(B)は、図12(A)中の切断線E−Fにおける断面概略図である。
[Configuration example 1]
FIG. 12A is a schematic top view of the transistor 200 shown in this structural example. FIG. 12B is a schematic cross-sectional view taken along a cutting line EF in FIG.

トランジスタ200は、実施の形態1で例示したトランジスタ100と比較し、半導体層102、第1の電極103a、第2の電極103b、絶縁層104、第1のゲート電極105a、第2のゲート電極105bの上面形状が異なる点、ならびに絶縁層107上に設けられた配線111a及び配線111bを新たに有している点で主に相違している。   The transistor 200 is different from the transistor 100 described in Embodiment 1 in terms of the semiconductor layer 102, the first electrode 103a, the second electrode 103b, the insulating layer 104, the first gate electrode 105a, and the second gate electrode 105b. Are different mainly in that the top surface shape is different and the wiring 111 a and the wiring 111 b provided on the insulating layer 107 are newly provided.

島状の半導体層102は、円形の上面形状を有している。また第2の電極103bは半導体層102と重なる領域に開口を有する環状の上面形状を有している。また、第1の電極103aは、第2の電極103bの開口の内側に位置するように設けられている。第2のゲート電極105bは、上面から見て第1の電極103aと第2の電極103bに挟まれた領域において、半導体層102の一部と重畳するように、環状の上面形状を有し、その一部が上面から見て第2の電極103bよりも外側に引き出されている。また、第1のゲート電極105aは、第1の電極103aの一部、第2の電極103bの一部、及び半導体層102と重畳するように円形の上面形状を有し、その一部が上面から見て第2の電極103bよりも外側に引き出されている。また、第1のゲート電極105aの第1の電極103aと重畳する領域には開口が形成されている。第1の電極103aは当該第1のゲート電極105aの開口と重なる位置に設けられた絶縁層107の開口を介して配線111aと電気的に接続されている。また第2の電極103bは、その上部に設けられた絶縁層107の開口を介して配線111bと電気的に接続されている。   The island-shaped semiconductor layer 102 has a circular upper surface shape. The second electrode 103 b has an annular top surface shape having an opening in a region overlapping with the semiconductor layer 102. The first electrode 103a is provided so as to be located inside the opening of the second electrode 103b. The second gate electrode 105b has an annular top surface shape so as to overlap with part of the semiconductor layer 102 in a region sandwiched between the first electrode 103a and the second electrode 103b when viewed from above. A part of the second electrode 103b is drawn outside the second electrode 103b when viewed from above. The first gate electrode 105a has a circular top surface shape so as to overlap with part of the first electrode 103a, part of the second electrode 103b, and the semiconductor layer 102, and part of the first gate electrode 105a is a top surface. As viewed from the outside of the second electrode 103b. In addition, an opening is formed in a region where the first gate electrode 105a overlaps with the first electrode 103a. The first electrode 103a is electrically connected to the wiring 111a through an opening in the insulating layer 107 provided at a position overlapping with the opening in the first gate electrode 105a. The second electrode 103b is electrically connected to the wiring 111b through an opening in the insulating layer 107 provided thereabove.

このように、第1の電極103aを囲うように第2の電極103bを設けることで、これらを平行に配置した場合に比べて、トランジスタ200の占有面積に対するチャネル幅を大きくとることができる。したがって、より大きなドレイン電流を得ることが可能となる。このような構成は大電力向けのパワーデバイスに好適に適用することができる。   In this manner, by providing the second electrode 103b so as to surround the first electrode 103a, the channel width with respect to the occupied area of the transistor 200 can be increased as compared with the case where they are arranged in parallel. Therefore, a larger drain current can be obtained. Such a configuration can be suitably applied to a power device for high power.

また、半導体層102及び第1の電極103aの上面形状を円形とし、第2の電極103bの上面形状を、これらを囲う環状の形状とすることで、円周方向にわたってチャネル長Lを一定にすることが可能となる。なお、半導体層102の上面形状はこれに限られず、正方形や長方形を含む多角形、楕円形、または角部が丸みを帯びた多角形などとすることができる。このとき、第1の電極103aと第2の電極103bとの距離(チャネル長L)が一定となるように、これらの形状や配置方法を適宜設定すればよい。   Further, the upper surface shape of the semiconductor layer 102 and the first electrode 103a is circular, and the upper surface shape of the second electrode 103b is an annular shape surrounding them, so that the channel length L is constant over the circumferential direction. It becomes possible. Note that the top surface shape of the semiconductor layer 102 is not limited thereto, and may be a polygon including a square or a rectangle, an ellipse, or a polygon with rounded corners. At this time, these shapes and arrangement methods may be set as appropriate so that the distance (channel length L) between the first electrode 103a and the second electrode 103b is constant.

なお、ここではソース電極として機能する第1の電極103aを内側に配置し、ドレイン電極として機能する第2の電極103bを外側に配置する構成としたが、これらに入力する電位を入れ替えることで、各々の機能を入れ替えてもよい。   Note that, here, the first electrode 103a functioning as a source electrode is arranged on the inner side, and the second electrode 103b functioning as a drain electrode is arranged on the outer side. However, by changing the potential input to these, Each function may be exchanged.

[構成例2]
図13(A)は、本構成例で示すトランジスタ210の上面概略図である。また図13(B)は、図13(A)中の切断線G−Hにおける断面概略図である。
[Configuration example 2]
FIG. 13A is a schematic top view of the transistor 210 shown in this structural example. FIG. 13B is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line GH in FIG.

トランジスタ210は、上記構成例1におけるトランジスタ200と比較して、第1のゲート電極105aが半導体層102よりも下側(基板101側)に位置し、第2のゲート電極105bが半導体層102よりも上側に位置している点、ならびに絶縁層107上に配線111cを新たに有している点で主に相違している。   In the transistor 210, the first gate electrode 105 a is located below the semiconductor layer 102 (on the substrate 101 side), and the second gate electrode 105 b is formed from the semiconductor layer 102 compared to the transistor 200 in the above structure example 1. Is mainly different in that the wiring 111c is newly provided on the insulating layer 107.

第1のゲート電極105aは、絶縁層106を介して半導体層102よりも基板101側に設けられている。また第1のゲート電極105aは、半導体層102よりも半径の大きい円状の上面形状を有し、第1の電極103a、半導体層102、及び第2の電極103bの一部と重畳するように設けられている。   The first gate electrode 105 a is provided closer to the substrate 101 than the semiconductor layer 102 with the insulating layer 106 interposed therebetween. The first gate electrode 105a has a circular upper surface shape with a larger radius than the semiconductor layer 102, and overlaps with part of the first electrode 103a, the semiconductor layer 102, and the second electrode 103b. Is provided.

また、第2のゲート電極105bは、絶縁層104上に設けられ、環状の上面形状を有する。また第2のゲート電極105bは、上面から見て第1の電極103aと第2の電極103bの間に、これらと重畳しないように設けられている。   The second gate electrode 105b is provided on the insulating layer 104 and has an annular upper surface shape. The second gate electrode 105b is provided between the first electrode 103a and the second electrode 103b so as not to overlap with each other when viewed from above.

また、第2のゲート電極105bは、その上部に設けられた絶縁層107の開口を介して配線111cと電気的に接続されている。   The second gate electrode 105b is electrically connected to the wiring 111c through an opening in the insulating layer 107 provided thereabove.

ここで、図13(B)に示すように、第2のゲート電極105bに覆われていない半導体層102の上面を絶縁層104で覆う構成とすることが好ましい。半導体層102上に絶縁層104を残すことにより、絶縁層107の成膜工程における半導体層102へのダメージを抑制することができる。   Here, as illustrated in FIG. 13B, a structure in which the top surface of the semiconductor layer 102 not covered with the second gate electrode 105 b is covered with an insulating layer 104 is preferable. By leaving the insulating layer 104 over the semiconductor layer 102, damage to the semiconductor layer 102 in the step of forming the insulating layer 107 can be suppressed.

また、半導体層102の第2のゲート電極105bに覆われていない領域では、作製工程にかかる熱処理によって絶縁層107から放出される酸素を、絶縁層104を介して半導体層102のチャネル形成領域に供給することが可能となる。したがって、半導体層102中の酸素欠損が低減され、トランジスタ210の信頼性を向上させることができる。   In the region of the semiconductor layer 102 that is not covered with the second gate electrode 105b, oxygen released from the insulating layer 107 by heat treatment in the manufacturing process is transferred to the channel formation region of the semiconductor layer 102 through the insulating layer 104. It becomes possible to supply. Accordingly, oxygen vacancies in the semiconductor layer 102 are reduced, and the reliability of the transistor 210 can be improved.

[構成例3]
図14(A)は、本構成例で示すトランジスタ220の上面概略図である。また図14(B)は、図14(A)中の切断線I−Jにおける断面概略図である。
[Configuration example 3]
FIG. 14A is a schematic top view of the transistor 220 shown in this structural example. FIG. 14B is a schematic cross-sectional view taken along section line I-J in FIG.

トランジスタ220は、上記構成例1におけるトランジスタ200と比較して、第1の電極103a、第2の電極103b、及び第2のゲート電極105bの上面形状が異なる点、ならびに配線111a、配線111bを有していない点で主に相違している。   The transistor 220 is different from the transistor 200 in the above configuration example 1 in that the top surfaces of the first electrode 103a, the second electrode 103b, and the second gate electrode 105b are different, and the wirings 111a and 111b are provided. The main difference is that it does not.

第1の電極103aは、上面から見てその一部が半導体層102の端部を乗り越えて外側にまで延在するように設けられている。また第2の電極103bは、半導体層102上において、第1の電極103aとの距離が略一定になるように設けられている。また半導体層102の端部の一部が、第1の電極103a及び第2の電極103bと重ならない領域を有している。   The first electrode 103 a is provided so that a part of the first electrode 103 a extends over the end portion of the semiconductor layer 102 as viewed from above. The second electrode 103b is provided over the semiconductor layer 102 so that the distance from the first electrode 103a is substantially constant. Further, part of the end portion of the semiconductor layer 102 has a region which does not overlap with the first electrode 103a and the second electrode 103b.

また、第2のゲート電極105bは、少なくとも半導体層102と重なる領域において、第1の電極103aとの距離、及び第2の電極103bとの距離がそれぞれ略一定となるような上面形状を有している。また、第2のゲート電極105bの一部が半導体層102の端部を乗り越えて外側に引き出されている。   In addition, the second gate electrode 105b has an upper surface shape such that the distance from the first electrode 103a and the distance from the second electrode 103b are substantially constant at least in a region overlapping with the semiconductor layer 102. ing. In addition, part of the second gate electrode 105 b extends over the end portion of the semiconductor layer 102 and is extracted to the outside.

このように、配線111aや配線111b等を設けない構成とすることで、工程を簡略化することができる。さらに、配線や電極の接続部を減らすことができるため、当該接続部における接触抵抗の影響を低減できる。特に、大電流を流す場合には、接触抵抗に起因して接続部が高温となってしまい、最悪の場合断線してしまう恐れもあるため、このように配線数を低減することが好ましい。   In this manner, by adopting a structure in which the wiring 111a, the wiring 111b, and the like are not provided, the process can be simplified. Furthermore, since the connection part of wiring or an electrode can be reduced, the influence of the contact resistance in the said connection part can be reduced. In particular, when a large current is passed, the connection portion becomes high temperature due to contact resistance, and there is a risk of disconnection in the worst case. Therefore, it is preferable to reduce the number of wires in this way.

また、図14(B)に示すように、第1の電極103a及び第2の電極103bに覆われていない半導体層102の端部を、第1のゲート電極105aが覆うように設けられている。そのため、当該領域において第1のゲート電極105aからの電界が半導体層102に対して縦方向だけでなく横方向からもかかるため、半導体層102のチャネルの形成される領域が拡大し、トランジスタ220のオン電流をさらに増大させることができる。   In addition, as illustrated in FIG. 14B, the first gate electrode 105a covers the end portion of the semiconductor layer 102 that is not covered with the first electrode 103a and the second electrode 103b. . Therefore, since the electric field from the first gate electrode 105a is applied not only in the vertical direction but also in the horizontal direction to the semiconductor layer 102 in the region, the region in which the channel of the semiconductor layer 102 is formed is expanded, The on-current can be further increased.

なお、ここではソース電極として機能する第1の電極103aを内側に配置し、ドレイン電極として機能する第2の電極103bを外側に配置する構成としたが、これらに入力する電位を入れ替えることで、各々の機能を入れ替えてもよい。   Note that, here, the first electrode 103a functioning as a source electrode is arranged on the inner side, and the second electrode 103b functioning as a drain electrode is arranged on the outer side. However, by changing the potential input to these, Each function may be exchanged.

以上が各構成例についての説明である。   The above is the description of each configuration example.

本実施の形態で例示したトランジスタは、いずれもトランジスタの占有面積に対するチャネル幅を大きくとれる構成である。したがって、より大きなドレイン電流を得ることが可能であり、大電力向けの半導体装置に好適に用いることができる。   Each of the transistors exemplified in this embodiment has a structure in which the channel width with respect to the occupied area of the transistor can be increased. Therefore, a larger drain current can be obtained, and it can be suitably used for a semiconductor device for high power.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の半導体層に好適に用いることのできる酸化物半導体について説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an oxide semiconductor that can be favorably used for the semiconductor layer of the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described.

酸化物半導体は、エネルギーギャップが3.0eV以上と大きく、酸化物半導体を適切な条件で加工し、そのキャリア密度を十分に低減して得られた酸化物半導体膜が適用されたトランジスタにおいては、オフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流(オフ電流)を、従来のシリコンを用いたトランジスタと比較して極めて低いものとすることができる。   An oxide semiconductor has a large energy gap of 3.0 eV or more. In a transistor to which an oxide semiconductor film obtained by processing an oxide semiconductor under appropriate conditions and sufficiently reducing its carrier density is applied, The leakage current (off-state current) between the source and the drain in the off state can be made extremely low as compared with a conventional transistor using silicon.

適用可能な酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザとして、それらに加えてガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド(例えば、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニウム(Gd))から選ばれた一種、または複数種が含まれていることが好ましい。   An applicable oxide semiconductor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, In and Zn are preferably included. In addition, as a stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of a transistor using the oxide semiconductor, gallium (Ga), tin (Sn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti) , Scandium (Sc), yttrium (Y), or a lanthanoid (for example, cerium (Ce), neodymium (Nd), gadolinium (Gd)), or a plurality of types are preferably included.

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、In−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、In−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−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−Eu−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、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。   For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide, Sn—Mg oxide In-Mg-based oxide, In-Ga-based oxide, In-Ga-Zn-based oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Zn-based oxide, Sn- Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide, In-Zr-Zn oxide, In-Ti-Zn oxide In-Sc-Zn-based oxide, In-Y-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd -Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu-Zn-based oxide In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn Oxide, In—Yb—Zn oxide, In—Lu—Zn oxide, In—Sn—Ga—Zn oxide, In—Hf—Ga—Zn oxide, In—Al—Ga— A Zn-based oxide, an In-Sn-Al-Zn-based oxide, an In-Sn-Hf-Zn-based oxide, or an In-Hf-Al-Zn-based oxide can be used.

ここで、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。   Here, the In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザとしての元素を示す。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)で表記される材料を用いてもよい。 Alternatively, a material represented by InMO 3 (ZnO) m (m> 0 is satisfied, and m is not an integer) may be used as the oxide semiconductor. Note that M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co, or the above-described element as a stabilizer. Alternatively, a material represented by In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 is satisfied, and n is an integer) may be used as the oxide semiconductor.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=1:3:2、In:Ga:Zn=1:3:4、In:Ga:Zn=1:3:6、In:Ga:Zn=3:1:2あるいはIn:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。   For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 1: 3: 2, In: Ga: Zn = 1: 3: 4, In: Ga: Zn = 1: 3: 6, An In—Ga—Zn-based oxide with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2 or In: Ga: Zn = 2: 1: 3 or an oxide in the vicinity of the composition may be used.

酸化物半導体膜に水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理(脱水素化処理)を行い酸化物半導体膜から、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。   When the oxide semiconductor film contains a large amount of hydrogen, the oxide semiconductor film is bonded to the oxide semiconductor, so that part of the hydrogen becomes a donor and an electron which is a carrier is generated. As a result, the threshold voltage of the transistor shifts in the negative direction. Therefore, after the oxide semiconductor film is formed, dehydration treatment (dehydrogenation treatment) is performed to remove hydrogen or moisture from the oxide semiconductor film so that impurities are contained as little as possible. preferable.

なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、酸化物半導体膜から酸素も同時に減少してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって同時に減少してしまった酸素を酸化物半導体に加える、または酸素を供給し酸化物半導体膜の酸素欠損を補填することが好ましい。本明細書等において、酸化物半導体膜に酸素を供給する場合を、加酸素化処理、または過酸素化処理と記す場合がある。   Note that oxygen may be reduced from the oxide semiconductor film at the same time due to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film. Therefore, it is preferable to add oxygen that has been simultaneously reduced by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) to the oxide semiconductor film or supply oxygen to fill oxygen vacancies in the oxide semiconductor film. . In this specification and the like, the case where oxygen is supplied to the oxide semiconductor film may be referred to as oxygenation treatment or peroxygenation treatment.

このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理(脱水素化処理)により、水素または水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、i型(真性)化またはi型に限りなく近く実質的にi型(真性)である酸化物半導体膜とすることができる。なお、実質的に真性とは、酸化物半導体膜中にドナーに由来するキャリアが極めて少なく(ゼロに近く)、キャリア密度が1×1017/cm以下、1×1016/cm以下、1×1015/cm以下、1×1014/cm以下、1×1013/cm以下であることをいう。 As described above, the oxide semiconductor film is made i-type (intrinsic) or i-type by removing hydrogen or moisture by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) and filling oxygen vacancies by oxygenation treatment. An oxide semiconductor film that is substantially i-type (intrinsic) can be obtained. Note that substantially intrinsic means that the number of carriers derived from a donor in the oxide semiconductor film is extremely small (near zero), and the carrier density is 1 × 10 17 / cm 3 or less, 1 × 10 16 / cm 3 or less, It means 1 × 10 15 / cm 3 or less, 1 × 10 14 / cm 3 or less, and 1 × 10 13 / cm 3 or less.

またこのように、i型又は実質的にi型である酸化物半導体膜を備えるトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタがオフ状態のときのドレイン電流を、室温(25℃程度)にて1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、さらに好ましくは1×10−24A以下、または85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、さらに好ましくは1×10−21A以下とすることができる。なお、トランジスタがオフ状態とは、nチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値電圧よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値電圧よりも1V以上、2V以上または3V以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。 As described above, a transistor including an i-type or substantially i-type oxide semiconductor film can realize extremely excellent off-state current characteristics. For example, the drain current when the transistor including an oxide semiconductor film is off is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably 1 at room temperature (about 25 ° C.). × 10 −24 A or lower, or 1 × 10 −15 A or lower, preferably 1 × 10 −18 A or lower, more preferably 1 × 10 −21 A or lower at 85 ° C. Note that an off state of a transistor means a state where a gate voltage is sufficiently lower than a threshold voltage in the case of an n-channel transistor. Specifically, when the gate voltage is 1 V or higher, 2 V or higher, or 3 V or lower than the threshold voltage, the transistor is turned off.

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。   Hereinafter, the structure of the oxide semiconductor film is described.

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。   An oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.

まずは、CAAC−OS膜について説明する。   First, the CAAC-OS film is described.

なお、本明細書において、「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。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。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。   In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。   In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。   The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

CAAC−OS膜を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS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。   When the CAAC-OS film is observed with a transmission electron microscope (TEM), a clear boundary between crystal parts, that is, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.

CAAC−OS膜を、試料面と概略平行な方向からTEMによって観察(断面TEM観察)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。   When the CAAC-OS film is observed by TEM (cross-sectional TEM observation) from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .

一方、CAAC−OS膜を、試料面と概略垂直な方向からTEMによって観察(平面TEM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。   On the other hand, when the CAAC-OS film is observed by TEM (planar TEM observation) from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

断面TEM観察および平面TEM観察より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。   From the cross-sectional TEM observation and the planar TEM observation, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.

なお、CAAC−OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、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−OS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。ただし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面TEM像において、2500nm以上、5μm以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most crystal parts included in the CAAC-OS film fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. Note that a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, in a planar TEM image, a crystal region that is 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.

CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO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、InGaZnO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。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS film crystal has c-axis orientation, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane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、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnO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56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.

以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、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。   From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by the above-mentioned cross-sectional TEM observation is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行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。   Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.

また、CAAC−OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、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c軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。   In the CAAC-OS film, the distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS film, the ratio of the crystal part in which the region near the upper surface is c-axis aligned than the region near the formation surface May be higher. In addition, in the case where an impurity is added to the CAAC-OS film, the region to which the impurity is added may be changed, and a region having a different ratio of partially c-axis aligned crystal parts may be formed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、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。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、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、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。   The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。   The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。   A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.

また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。   In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。   Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.

微結晶酸化物半導体膜は、TEMによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、TEMによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。   In the microcrystalline oxide semiconductor film, there is a case where a crystal part cannot be clearly confirmed in an observation image using a TEM. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film including a nanocrystal (nc) that is a microcrystal of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) film. In the nc-OS film, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in an observation image using a TEM.

nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいビーム径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子線回折(制限視野電子線回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径(例えば1nm以上30nm以下)の電子線を用いる電子線回折(ナノビーム電子線回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。   The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a very small region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor film depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on an nc-OS film using an XRD apparatus that uses X-rays having a beam diameter larger than that of a crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis using the out-of-plane method. . Further, when electron beam diffraction (also referred to as limited-field electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the crystal part is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is obtained. Is observed. On the other hand, when nc-OS film is subjected to electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 1 nm to 30 nm) that is close to the crystal part or smaller than the crystal part. Spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region.

nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。   The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. Note that the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。   Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態5)
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備するインバータ及びコンバータ等の電力変換回路の構成例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, as an example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention, a structural example of a power conversion circuit such as an inverter or a converter including the transistor described in the above embodiment will be described.

[DCDCコンバータ]
図15(A)に示すDCDCコンバータ501は、一例としてチョッパー回路を用いた、降圧型のDCDCコンバータである。DCDCコンバータ501は、容量素子502、トランジスタ503、制御回路504、ダイオード505、コイル506及び容量素子507を有する。
[DCDC converter]
A DCDC converter 501 illustrated in FIG. 15A is a step-down DCDC converter that uses a chopper circuit as an example. The DCDC converter 501 includes a capacitor 502, a transistor 503, a control circuit 504, a diode 505, a coil 506, and a capacitor 507.

DCDCコンバータ501は、制御回路504によるトランジスタ503のスイッチング動作により動作する。DCDCコンバータ501により、入力端子IN1とIN2に印加される入力電圧V1は、出力端子OUT1とOUT2より降圧されたV2として負荷508に出力できる。DCDCコンバータ501が具備するトランジスタ503には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なDCDCコンバータを実現できる。   The DCDC converter 501 operates by the switching operation of the transistor 503 by the control circuit 504. The DCDC converter 501 can output the input voltage V1 applied to the input terminals IN1 and IN2 to the load 508 as V2 stepped down from the output terminals OUT1 and OUT2. The semiconductor device described in the above embodiment can be applied to the transistor 503 included in the DCDC converter 501. Therefore, a large output current can be allowed to flow through the switching operation, and an off current can be reduced. Therefore, it is possible to realize a DCDC converter that can reduce power consumption and operate at high speed.

図15(A)では非絶縁型の電力変換回路の一例としてチョッパー回路を用いた降圧型のDCDCコンバータを示したが、他にもチョッパー回路を用いた昇圧型のDCDCコンバータ、チョッパー回路を用いた昇圧降圧型のDCDCコンバータが具備するトランジスタにも上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なDCDCコンバータを実現できる。   Although FIG. 15A shows a step-down DCDC converter using a chopper circuit as an example of a non-insulated power conversion circuit, a step-up DCDC converter using a chopper circuit and a chopper circuit are also used. The semiconductor device described in the above embodiment can also be applied to a transistor included in a step-up / step-down DCDC converter. Therefore, a large output current can be allowed to flow through the switching operation, and an off current can be reduced. Therefore, it is possible to realize a DCDC converter that can reduce power consumption and operate at high speed.

次いで図15(B)に示すDCDCコンバータ511は、一例として絶縁型の電力変換回路であるフライバックコンバータの回路構成例を示す。DCDCコンバータ511は、容量素子512、トランジスタ513、制御回路514、一次コイル及び二次コイルを具備する変圧器515、ダイオード516及び容量素子517を有する。   Next, a DCDC converter 511 illustrated in FIG. 15B illustrates a circuit configuration example of a flyback converter which is an insulating power conversion circuit as an example. The DCDC converter 511 includes a capacitor 512, a transistor 513, a control circuit 514, a transformer 515 including a primary coil and a secondary coil, a diode 516, and a capacitor 517.

図15(B)に示すDCDCコンバータ511は、制御回路514によるトランジスタ513のスイッチング動作により動作する。DCDCコンバータ511により、入力端子IN1とIN2に印加される入力電圧V1は、出力端子OUT1とOUT2より昇圧または降圧されたV2として負荷518に出力できる。DCDCコンバータ511が具備するトランジスタ513には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作によって大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なDCDCコンバータを実現できる。   The DCDC converter 511 illustrated in FIG. 15B operates by switching operation of the transistor 513 by the control circuit 514. The DCDC converter 511 can output the input voltage V1 applied to the input terminals IN1 and IN2 to the load 518 as V2 boosted or stepped down from the output terminals OUT1 and OUT2. The semiconductor device described in the above embodiment can be applied to the transistor 513 included in the DCDC converter 511. Therefore, a large output current can be allowed to flow through the switching operation, and an off current can be reduced. Therefore, it is possible to realize a DCDC converter that can reduce power consumption and operate at high speed.

なお、フォワード型のDCDCコンバータが具備するトランジスタにも上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。   Note that the semiconductor device described in any of the above embodiments can be applied to a transistor included in a forward type DCDC converter.

[インバータ]
図16に示すインバータ601は、一例としてフルブリッジ型のインバータである。インバータ601は、トランジスタ602、トランジスタ603、トランジスタ604、トランジスタ605、及び制御回路606を有する。
[Inverter]
An inverter 601 illustrated in FIG. 16 is a full-bridge inverter as an example. The inverter 601 includes a transistor 602, a transistor 603, a transistor 604, a transistor 605, and a control circuit 606.

図16に示すインバータ601は、制御回路606によるトランジスタ602乃至605のスイッチング動作により動作する。入力端子IN1とIN2に印加される直流電圧V1は、出力端子OUT1とOUT2より交流電圧V2として出力することができる。インバータ601が具備するトランジスタ602乃至605には、上記実施の形態で例示した半導体装置を適用することができる。そのため、スイッチング動作により大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なインバータとすることができる。   The inverter 601 illustrated in FIG. 16 operates by switching operation of the transistors 602 to 605 by the control circuit 606. The DC voltage V1 applied to the input terminals IN1 and IN2 can be output as the AC voltage V2 from the output terminals OUT1 and OUT2. The semiconductor device described in the above embodiment can be applied to the transistors 602 to 605 included in the inverter 601. Therefore, a large output current can be flowed by the switching operation, and the off-current can be reduced. Therefore, power consumption can be reduced and an inverter capable of high-speed operation can be obtained.

図15及び図16で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(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のゲート電極には図示しない配線により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。   In the case where the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIGS. 15 and 16, the source electrode (first electrode) is provided on the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is provided on the high potential side. It is configured to be electrically connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by the control circuit, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). That's fine.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態6)
本実施の形態では本発明の一態様の半導体装置の一形態として、上記実施の形態で例示したトランジスタを具備する電源回路の構成例について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, as an example of a semiconductor device of one embodiment of the present invention, a structural example of a power supply circuit including the transistor described in the above embodiment will be described.

図17に、本発明の一態様に係る電源回路400の構成を、一例として示す。図17に示す電源回路400は、制御回路413と、パワースイッチ401と、パワースイッチ402と、電圧調整部403と、を有する。   FIG. 17 illustrates an example of a structure of the power supply circuit 400 according to one embodiment of the present invention. A power supply circuit 400 illustrated in FIG. 17 includes a control circuit 413, a power switch 401, a power switch 402, and a voltage adjustment unit 403.

電源回路400には、電源416から電圧が供給されており、パワースイッチ401及びパワースイッチ402は、電圧調整部403への上記電圧の入力を制御する機能を有する。   The power supply circuit 400 is supplied with a voltage from the power supply 416, and the power switch 401 and the power switch 402 have a function of controlling the input of the voltage to the voltage adjustment unit 403.

なお、電源416から出力される電圧が交流電圧である場合、図17に示すように、電圧調整部403への第1電位の入力を制御するパワースイッチ401と、電圧調整部403への第2電位の入力を制御するパワースイッチ402とを、電源回路400に設ける。電源416から出力される電圧が直流電圧である場合、図17に示すように、電圧調整部403への第1電位の入力を制御するパワースイッチ401と、電圧調整部403への第2電位の入力を制御するパワースイッチ402とを、電源回路400に設けてもよいし、或いは、第2電位を接地電位とし、電圧調整部403への第2電位の入力を制御するパワースイッチ402を設けずに、電圧調整部403への第1電位の入力を制御するパワースイッチ401を電源回路400に設けてもよい。   When the voltage output from the power source 416 is an AC voltage, as shown in FIG. 17, the power switch 401 that controls the input of the first potential to the voltage adjustment unit 403 and the second to the voltage adjustment unit 403 A power switch 402 that controls input of a potential is provided in the power supply circuit 400. When the voltage output from the power supply 416 is a DC voltage, as shown in FIG. 17, the power switch 401 that controls the input of the first potential to the voltage adjustment unit 403 and the second potential to the voltage adjustment unit 403 The power switch 402 for controlling the input may be provided in the power supply circuit 400, or the power switch 402 for controlling the input of the second potential to the voltage adjusting unit 403 is not provided with the second potential as the ground potential. In addition, a power switch 401 that controls input of the first potential to the voltage adjustment unit 403 may be provided in the power supply circuit 400.

そして、本発明の一態様では、パワースイッチ401及びパワースイッチ402として、耐圧性の高いトランジスタを用いる。例えば上記トランジスタとして、上記実施の形態で例示したトランジスタを用いることができる。   In one embodiment of the present invention, a transistor with high withstand voltage is used as the power switch 401 and the power switch 402. For example, the transistor described in the above embodiment can be used as the transistor.

パワースイッチ401及びパワースイッチ402として、上記結晶構造を有する酸化物半導体膜を用いることにより、高い出力電流を流すことが可能で、且つ耐圧を高めることができる。   By using the oxide semiconductor film having the above crystal structure as the power switch 401 and the power switch 402, a high output current can flow and the withstand voltage can be increased.

上記半導体材料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401またはパワースイッチ402に用いることで、炭化珪素や窒化ガリウムなどを活性層に用いた電界効果トランジスタよりも、パワースイッチ401またはパワースイッチ402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。   By using the field effect transistor using the semiconductor material for the active layer for the power switch 401 or the power switch 402, the power switch 401 or the power switch is more effective than the field effect transistor using silicon carbide or gallium nitride for the active layer. The switching of 402 can be performed at high speed, so that power loss caused by switching can be reduced.

電圧調整部403は、パワースイッチ401及びパワースイッチ402を介して電源416から電圧が入力されると、当該電圧の調整を行う機能を有する。具体的に、電圧調整部403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、電圧の高さを変えること、電圧の高さを平滑化すること、のいずれか一つまたは複数を含む。   When a voltage is input from the power source 416 via the power switch 401 and the power switch 402, the voltage adjustment unit 403 has a function of adjusting the voltage. Specifically, the voltage adjustment in the voltage adjustment unit 403 is any one or more of converting an AC voltage into a DC voltage, changing a voltage level, and smoothing a voltage level. including.

電圧調整部403において調整された電圧は、負荷417と制御回路413に与えられる。   The voltage adjusted by the voltage adjustment unit 403 is supplied to the load 417 and the control circuit 413.

また、図17に示す電源回路400では、蓄電装置404と、補助電源405と、電圧発生回路406と、トランジスタ407乃至トランジスタ410と、容量素子414と、容量素子415とを有する。   In addition, the power supply circuit 400 illustrated in FIG. 17 includes the power storage device 404, the auxiliary power supply 405, the voltage generation circuit 406, the transistors 407 to 410, the capacitor 414, and the capacitor 415.

蓄電装置404は、電圧調整部403から与えられた電力を、一時的に蓄える機能を有する。具体的に蓄電装置404は、電圧調整部403から与えられた電圧を用いて、電力を蓄えることができるキャパシタ、二次電池などの蓄電部を有する。   The power storage device 404 has a function of temporarily storing the power supplied from the voltage adjustment unit 403. Specifically, the power storage device 404 includes a power storage unit such as a capacitor or a secondary battery that can store electric power using the voltage supplied from the voltage adjustment unit 403.

補助電源405は、蓄電装置404から出力が可能な電力が不足しているときに、制御回路413の動作に要する電力を、補う機能を有する。補助電源405として、一次電池などを用いることができる。   The auxiliary power source 405 has a function of supplementing power required for operation of the control circuit 413 when power that can be output from the power storage device 404 is insufficient. As the auxiliary power source 405, a primary battery or the like can be used.

電圧発生回路406は、蓄電装置404または補助電源405から出力される電圧を用いて、パワースイッチ401及びパワースイッチ402のスイッチングを制御するための電圧を、生成する機能を有する。具体的に電圧発生回路406は、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオンにするための電圧を生成する機能と、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオフにするための電圧を生成する機能とを有する。   The voltage generation circuit 406 has a function of generating a voltage for controlling switching of the power switch 401 and the power switch 402 by using a voltage output from the power storage device 404 or the auxiliary power supply 405. Specifically, the voltage generation circuit 406 has a function of generating a voltage for turning on the power switch 401 and the power switch 402, and a function of generating a voltage for turning off the power switch 401 and the power switch 402. .

無線信号入力回路411は、トランジスタ407乃至トランジスタ410のスイッチングに従ってパワースイッチ401及びパワースイッチ402を制御する機能を有する。   The wireless signal input circuit 411 has a function of controlling the power switch 401 and the power switch 402 in accordance with switching of the transistors 407 to 410.

具体的に、無線信号入力回路411は、外部から与えられる、パワースイッチ401及びパワースイッチ402の動作状態を制御するための無線信号に重畳した命令を電気信号に変換する入力部と、上記電気信号に含まれる命令をデコードし、トランジスタ407乃至トランジスタ410のスイッチングを、上記命令に従って制御するための信号を生成する信号処理部と、を有する。   Specifically, the wireless signal input circuit 411 includes an input unit that converts a command superimposed on a wireless signal for controlling the operation state of the power switch 401 and the power switch 402, which is supplied from the outside, into an electrical signal, and the electrical signal. And a signal processing unit that generates a signal for controlling switching of the transistors 407 to 410 according to the instruction.

トランジスタ407乃至トランジスタ410は、無線信号入力回路411において生成された信号に従って、スイッチングを行う。具体的に、トランジスタ408及びトランジスタ410がオンであるとき、電圧発生回路406で生成された、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオンにするための電圧が、パワースイッチ401及びパワースイッチ402に与えられる。また、トランジスタ408及びトランジスタ410がオフであるとき、パワースイッチ401及びパワースイッチ402に、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオンにするための上記電圧が与えられた状態が、維持される。また、トランジスタ407及びトランジスタ409がオンであるとき、電圧発生回路406で生成された、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオフにするための電圧が、パワースイッチ401及びパワースイッチ402に与えられる。また、トランジスタ408及びトランジスタ410がオフであるとき、パワースイッチ401及びパワースイッチ402に、パワースイッチ401及びパワースイッチ402をオフにするための上記電圧が与えられた状態が、維持される。   The transistors 407 to 410 perform switching according to the signal generated in the wireless signal input circuit 411. Specifically, when the transistor 408 and the transistor 410 are on, a voltage for turning on the power switch 401 and the power switch 402 generated by the voltage generation circuit 406 is supplied to the power switch 401 and the power switch 402. . Further, when the transistor 408 and the transistor 410 are off, the state where the power switch 401 and the power switch 402 are supplied with the voltage for turning on the power switch 401 and the power switch 402 is maintained. When the transistor 407 and the transistor 409 are on, the voltage generated by the voltage generation circuit 406 for turning off the power switch 401 and the power switch 402 is supplied to the power switch 401 and the power switch 402. Further, when the transistor 408 and the transistor 410 are off, the state in which the voltage for turning off the power switch 401 and the power switch 402 is applied to the power switch 401 and the power switch 402 is maintained.

そして、本発明の一態様では、上記電圧がパワースイッチ401及びパワースイッチ402に与えられた状態を維持するために、トランジスタ407乃至トランジスタ410に、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いる。上記構成により、電圧発生回路406において、パワースイッチ401及びパワースイッチ402の動作状態を定めるための電圧の生成を停止しても、パワースイッチ401及びパワースイッチ402の動作状態を維持することができる。よって、電圧発生回路406における消費電力を削減し、延いては電源回路400における消費電力を小さく抑えることができる。   In one embodiment of the present invention, a transistor with extremely small off-state current is used as the transistors 407 to 410 in order to maintain the state where the voltage is applied to the power switch 401 and the power switch 402. With the above structure, the operation state of the power switch 401 and the power switch 402 can be maintained even when the voltage generation circuit 406 stops generating the voltage for determining the operation state of the power switch 401 and the power switch 402. Therefore, power consumption in the voltage generation circuit 406 can be reduced, and thus power consumption in the power supply circuit 400 can be reduced.

なお、トランジスタ407乃至トランジスタ410にバックゲートを設け、バックゲートに電位を与えることにより、トランジスタ407乃至トランジスタ410の閾値電圧を制御してもよい。   Note that the transistor 407 to the transistor 410 may be provided with a back gate, and the threshold voltage of the transistor 407 to the transistor 410 may be controlled by applying a potential to the back gate.

バンドギャップがシリコンの2倍以上であるワイドギャップ半導体を活性層に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さいので、トランジスタ407乃至トランジスタ410に用いるのに好適である。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体などを用いることができる。   A transistor in which a wide gap semiconductor whose band gap is twice or more that of silicon is used for an active layer is preferably used for the transistors 407 to 410 because the off-state current is extremely small. For example, an oxide semiconductor can be used as the wide gap semiconductor.

なお、電子供与体(ドナー)となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体(purified OS)は、i型(真性半導体)又はi型に限りなく近い。そのため、水分または水素などの不純物濃度が十分に低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。よって、高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタを、トランジスタ407乃至トランジスタ410に用いることで、電圧発生回路406における消費電力を削減し、電源回路400における消費電力を小さく抑える効果を高めることができる。   Note that an oxide semiconductor (purified OS) purified by reducing impurities such as moisture or hydrogen serving as an electron donor (donor) and reducing oxygen vacancies is an i-type (intrinsic semiconductor) or Close to i-type. Therefore, the off-state current of the transistor can be reduced by using an oxide semiconductor film which is highly purified by reducing the concentration of impurities such as moisture or hydrogen and reducing oxygen vacancies. Therefore, by using a transistor including a highly purified oxide semiconductor film for the transistors 407 to 410, power consumption in the voltage generation circuit 406 is reduced and an effect of reducing power consumption in the power supply circuit 400 is increased. be able to.

具体的に、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が1×106μmでチャネル長が10μmの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧(ドレイン電圧)が1Vから10Vの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち1×10−13A以下という特性を得ることができる。この場合、オフ電流をトランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、100zA/μm以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、上記トランジスタに高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が3Vの場合に、数十yA/μmという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さい。 Specifically, it can be proved by various experiments that the off-state current of a transistor in which a highly purified oxide semiconductor is used for a channel formation region is small. For example, even in an element having a channel width of 1 × 106 μm and a channel length of 10 μm, the off-current is the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer when the voltage between the source electrode and the drain electrode (drain voltage) is in the range of 1V to 10V. The following characteristics can be obtained, that is, 1 × 10 −13 A or less. In this case, it can be seen that the off-current obtained by normalizing the off-current with the channel width of the transistor is 100 zA / μm or less. In addition, off-state current was measured using a circuit in which a capacitor and a transistor were connected and charge flowing into or out of the capacitor was controlled by the transistor. In this measurement, a highly purified oxide semiconductor film of the transistor was used for a channel formation region, and the off-state current of the transistor was measured from the change in the amount of charge per unit time of the capacitor. As a result, it was found that when the voltage between the source electrode and the drain electrode of the transistor is 3 V, an even smaller off current of several tens of yA / μm can be obtained. Therefore, a transistor using a highly purified oxide semiconductor film for a channel formation region has significantly lower off-state current than a transistor using crystalline silicon.

また、酸化物半導体の中でもIn−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物などは、炭化シリコンまたは窒化ガリウムと異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコンまたは窒化ガリウムとは異なり、上記酸化物半導体In−Ga−Zn系酸化物は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いはシリコンを用いた集積回路上に電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。   Further, among oxide semiconductors, an In—Ga—Zn-based oxide, an In—Sn—Zn-based oxide, or the like is different from silicon carbide or gallium nitride in that a transistor with excellent electrical characteristics is manufactured by a sputtering method or a wet method. This has the advantage of being excellent in mass productivity. Unlike silicon carbide or gallium nitride, the oxide semiconductor In—Ga—Zn-based oxide can be formed even at room temperature; therefore, it can be formed over a glass substrate or over an integrated circuit using silicon. A transistor with excellent electrical characteristics can be manufactured. In addition, it is possible to cope with an increase in the size of the substrate.

容量素子414は、トランジスタ407及びトランジスタ408がオフであるとき、パワースイッチ401に与えられている電圧を、保持する機能を有する。また、容量素子415は、トランジスタ409及びトランジスタ410がオフであるとき、パワースイッチ402に与えられている電圧を、保持する機能を有する。容量素子414及び415の一対の電極の一方は、無線信号入力回路411に接続される。なお、図18に示すように、容量素子414及び415を設けなくてもよい。   The capacitor 414 has a function of holding voltage applied to the power switch 401 when the transistor 407 and the transistor 408 are off. The capacitor 415 has a function of holding voltage applied to the power switch 402 when the transistor 409 and the transistor 410 are off. One of the pair of electrodes of the capacitor elements 414 and 415 is connected to the wireless signal input circuit 411. Note that the capacitor elements 414 and 415 are not necessarily provided as shown in FIG.

そして、パワースイッチ401及びパワースイッチ402がオンであるとき、電源416から電圧調整部403への電圧の供給が行われる。そして、上記電圧により、蓄電装置404には電力が蓄積される。   When the power switch 401 and the power switch 402 are on, the voltage is supplied from the power source 416 to the voltage adjustment unit 403. Power is stored in the power storage device 404 by the voltage.

また、パワースイッチ401及びパワースイッチ402がオフであるとき、電源416から電圧調整部403への電圧の供給が停止する。よって、蓄電装置404への電力の供給は行われないが、本発明の一態様では、上述したように、蓄電装置404または補助電源405に蓄えられている電力を用いて、制御回路413を動作させることができる。すなわち、本発明の一態様に係る電源回路400では、制御回路413によるパワースイッチ401及びパワースイッチ402の動作状態の制御を行いつつ、電圧調整部403への電圧の供給を停止することができる。そして、電圧調整部403への電圧の供給を停止することで、負荷417への電圧の供給が行われないときに、電圧調整部403が有する容量の充放電により電力が消費されるのを防ぐことができ、それにより、電源回路400の消費電力を小さく抑えることができる。   When the power switch 401 and the power switch 402 are off, the supply of voltage from the power source 416 to the voltage adjustment unit 403 is stopped. Thus, power is not supplied to the power storage device 404; however, in one embodiment of the present invention, as described above, the control circuit 413 is operated using power stored in the power storage device 404 or the auxiliary power supply 405. Can be made. That is, in the power supply circuit 400 according to one embodiment of the present invention, supply of voltage to the voltage adjustment unit 403 can be stopped while the operation state of the power switch 401 and the power switch 402 is controlled by the control circuit 413. Then, by stopping the supply of voltage to the voltage adjustment unit 403, when the voltage is not supplied to the load 417, electric power is prevented from being consumed due to charge / discharge of the capacity of the voltage adjustment unit 403. Accordingly, power consumption of the power supply circuit 400 can be reduced.

図17及び図18で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(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のゲート電極には図示しない配線により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。   When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIGS. 17 and 18, the source electrode (first electrode) is provided on the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is provided on the high potential side. It is configured to be electrically connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by the control circuit, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). That's fine.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを含むバッファ回路の構成について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a structure of a buffer circuit including the transistor of one embodiment of the present invention will be described.

本発明の一態様のトランジスタは、パワースイッチのゲートに電圧を供給するためのバッファ回路に適用することができる。   The transistor of one embodiment of the present invention can be applied to a buffer circuit for supplying voltage to the gate of the power switch.

図19(A)に本発明の一態様のバッファ回路701を含む回路を示す。   FIG. 19A illustrates a circuit including the buffer circuit 701 of one embodiment of the present invention.

バッファ回路701には、駆動回路702と、パワースイッチ721が電気的に接続されている。またバッファ回路701には電源715から正の電位が、電源716から負の電位が、それぞれ与えられている。   A drive circuit 702 and a power switch 721 are electrically connected to the buffer circuit 701. The buffer circuit 701 is given a positive potential from the power source 715 and a negative potential from the power source 716.

駆動回路702は、パワースイッチ721のオン、オフ動作を制御するための信号を出力する回路である。駆動回路702から出力された信号は、バッファ回路701を介してパワースイッチ721のゲートに入力される。   The drive circuit 702 is a circuit that outputs a signal for controlling the on / off operation of the power switch 721. A signal output from the drive circuit 702 is input to the gate of the power switch 721 via the buffer circuit 701.

パワースイッチ721は、上記実施の形態で例示したトランジスタを適用することもできるし、半導体としてシリコン、炭化シリコン、窒化ガリウムなどを適用したパワートランジスタを用いてもよい。ここで以下では、パワースイッチ721がnチャネル型のトランジスタである場合について説明するが、pチャネル型のトランジスタであってもよい。   As the power switch 721, the transistor exemplified in the above embodiment can be used, or a power transistor using silicon, silicon carbide, gallium nitride, or the like as a semiconductor can be used. Hereinafter, a case where the power switch 721 is an n-channel transistor will be described. However, a p-channel transistor may be used.

バッファ回路701は、トランジスタ711、トランジスタ712、及びインバータ713を有する。   The buffer circuit 701 includes a transistor 711, a transistor 712, and an inverter 713.

トランジスタ711は、ソースまたはドレインの一方が電源715の高電位出力端子に電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ712のソースまたはドレインの一方、及びパワースイッチ721のゲートに電気的に接続され、ゲートがインバータ713の出力端子に電気的に接続される。トランジスタ712は、ソースまたはドレインの他方が電源716の低電位出力端子に電気的に接続される。駆動回路702の出力部は、インバータ713の入力端子、及びトランジスタ712のゲートに電気的に接続される。   In the transistor 711, one of a source and a drain is electrically connected to the high potential output terminal of the power source 715, and the other of the source and the drain is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 712 and the gate of the power switch 721. The gate is electrically connected to the output terminal of the inverter 713. The other of the source and the drain of the transistor 712 is electrically connected to the low potential output terminal of the power supply 716. An output portion of the driver circuit 702 is electrically connected to an input terminal of the inverter 713 and a gate of the transistor 712.

駆動回路702からは、ハイレベル電位またはローレベル電位が出力される。ここでハイレベル電位は少なくともトランジスタ712をオン状態とする電位であり、ローレベル電位は少なくともトランジスタ712を状態とする電位である。   A high level potential or a low level potential is output from the driver circuit 702. Here, the high level potential is a potential at which at least the transistor 712 is turned on, and the low level potential is a potential at least at the transistor 712.

駆動回路702からハイレベル電位が入力されると、インバータ713を介してトランジスタ711のゲートにローレベル電位が入力され、トランジスタ711がオフ状態となる。同時に、トランジスタ712のゲートにハイレベル電位が入力され、トランジスタ712がオン状態となる。したがって、パワースイッチ721のゲートには電源716から負の電位が入力され、パワースイッチ721がオフ状態となる。   When a high level potential is input from the driver circuit 702, a low level potential is input to the gate of the transistor 711 through the inverter 713, so that the transistor 711 is turned off. At the same time, a high-level potential is input to the gate of the transistor 712, so that the transistor 712 is turned on. Therefore, a negative potential is input from the power source 716 to the gate of the power switch 721, and the power switch 721 is turned off.

一方、駆動回路702からローレベル電位が入力されると、インバータ713を介してトランジスタ711のゲートにハイレベル電位が入力され、トランジスタ711がオン状態となる。同時に、トランジスタ712のゲートにローレベル電位が入力され、トランジスタ712がオフ状態となる。したがって、パワースイッチ721のゲートには電源715から正の電位が入力され、パワースイッチ721はオン状態となる。   On the other hand, when a low-level potential is input from the driver circuit 702, a high-level potential is input to the gate of the transistor 711 through the inverter 713, and the transistor 711 is turned on. At the same time, a low-level potential is input to the gate of the transistor 712, so that the transistor 712 is turned off. Therefore, a positive potential is input from the power source 715 to the gate of the power switch 721, and the power switch 721 is turned on.

このように、駆動回路702からハイレベル電位またはローレベル電位をとるパルス信号が出力されることで、パワースイッチ721のオン、オフを制御することができる。パワースイッチ721を制御する制御方式としては、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)方式や、パルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)方式などの制御方式を用いることができる。   In this manner, the driving circuit 702 outputs a pulse signal having a high level potential or a low level potential, whereby the power switch 721 can be controlled to be turned on / off. As a control method for controlling the power switch 721, a control method such as a pulse width modulation (PWM) method or a pulse frequency modulation (PFM) method can be used.

ここで、トランジスタ711及びトランジスタ712に、上記実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。したがって、パワースイッチ721を高い電位で駆動させることができる。さらに、高温で安定した動作が可能であるため、高温環境下であっても安定してパワースイッチの動作を制御することができ、さらに発熱の大きなパワースイッチ721の近傍に配置することもできる。また、トランジスタ711及びトランジスタ712のスイッチング動作により大きな出力電流を流すことができ、且つオフ電流を低減することができる。したがって消費電力が低減され、高速な動作が可能なバッファとすることができる。   Here, the transistor illustrated in the above embodiment can be used as the transistor 711 and the transistor 712. Therefore, the power switch 721 can be driven at a high potential. Furthermore, since stable operation is possible at high temperatures, the operation of the power switch can be controlled stably even in a high temperature environment, and the power switch 721 can be arranged near the power switch 721 that generates more heat. In addition, a large output current can be caused to flow by the switching operation of the transistors 711 and 712, and the off-state current can be reduced. Accordingly, power consumption can be reduced, and a buffer capable of high-speed operation can be obtained.

なお、図19では負の電位を出力する電源716を設ける構成としたが、電源716を設けずにトランジスタ712のソースまたはドレインの他方に接地電位(または基準電位)が入力される構成としてもよい。   Note that although a power supply 716 that outputs a negative potential is provided in FIG. 19, a ground potential (or a reference potential) may be input to the other of the source and the drain of the transistor 712 without providing the power supply 716. .

また、インバータ713をトランジスタ711ではなくトランジスタ712側に電気的に接続する構成としてもよい。その場合、上記動作において、バッファ回路701からは上記とは反転した電位が出力される。   Alternatively, the inverter 713 may be electrically connected to the transistor 712 instead of the transistor 711. In that case, in the above operation, the buffer circuit 701 outputs a potential inverted from the above.

ここで、パワースイッチ721に換えて、バイポーラパワートランジスタ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、トライアック、またはMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)などのパワーデバイスを用いることもできる。   Here, in place of the power switch 721, a bipolar power transistor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a thyristor, a gate turn-off thyristor (GTO), a triac, or a MESFET (Metal Semiconductor Transistor Effect Transistor). A power device can also be used.

このとき、駆動回路702の出力信号は上記に限られず、それぞれの素子の駆動を制御するために適した信号を用いればよい。   At this time, the output signal of the driving circuit 702 is not limited to the above, and a signal suitable for controlling the driving of each element may be used.

図19(B)には、パワースイッチ721に換えてIGBT722を設けた場合について示している。   FIG. 19B shows a case where an IGBT 722 is provided instead of the power switch 721.

図19で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(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のゲート電極には図示しない配線により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。   When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 19, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by the control circuit, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). That's fine.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様である酸化物半導体を備えるトランジスタを使用し、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、図面を用いて説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor which is one embodiment of the present invention is used, the memory content can be retained even in a state where power is not supplied, and the number of writings is not limited (memory) An example of the apparatus will be described with reference to the drawings.

図20に半導体装置の回路図を示す。   FIG. 20 shows a circuit diagram of the semiconductor device.

図20に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料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、先の実施の形態で説明したトランジスタを用いることができる。   A semiconductor device illustrated in FIG. 20 includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, the transistor described in the above embodiment can be used.

ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等など)とし、第2の半導体材料を先の実施の形態で説明した酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。   Here, it is desirable that the first semiconductor material and the second semiconductor material have different band gaps. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, or gallium arsenide), and the second semiconductor material is the oxide described in the above embodiment. It can be a semiconductor. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor has low off-state current.

トランジスタ3300は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより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、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。   The transistor 3300 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 3300 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 3300. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

図20において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極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のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、およびトランジスタ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3005は容量素子3400の電極の他方と電気的に接続されている。   In FIG. 20, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate electrode of the transistor 3300. The other of the gate electrode of the transistor 3200 and the source or drain electrode of the transistor 3300 is electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 3400. Connected.

図20に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。   In the semiconductor device illustrated in FIG. 20, by using the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held, information can be written, held, and read as follows.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲート電極には、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)のいずれ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がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極に与えられた電荷が保持される(保持)。   Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400. That is, predetermined charge is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off and the transistor 3300 is turned off, whereby the charge given to the gate electrode of the transistor 3200 is held (held).

トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。   Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 3200 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、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のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」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の中間の電位V0とすることにより、トランジスタ3200のゲート電極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、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「オン状態」となる。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(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」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、保持されている情報を読み出すことができる。   Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 3200 is increased. The second wiring 3002 has different potentials. In general, when the transistor 3200 is an n-channel transistor, the apparent threshold Vth_H in the case where a high level charge is applied to the gate electrode of the transistor 3200 is the case where the low level charge is applied to the gate electrode of the transistor 3200 This is because it becomes lower than the apparent threshold value Vth_L. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor 3200. Therefore, when the potential of the fifth wiring 3005 is set to a potential V0 between Vth_H and Vth_L, the charge given to the gate electrode of the transistor 3200 can be determined. For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 is V0 (> Vth_H). In the case where the low-level charge is supplied, the transistor 3200 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 is V0 (<Vth_L). Therefore, the stored information can be read by determining the potential of the second wiring 3002.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。   Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, a potential at which the transistor 3200 is turned off regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential lower than Vth_H may be supplied to the fifth wiring 3005. Alternatively, a potential that turns on the transistor 3200 regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than Vth_L may be supplied to the fifth wiring 3005.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流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、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。   In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素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。   In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that the problem of deterioration of the gate insulating layer does not occur at all. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

図20で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(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のゲート電極には図示しない配線により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。   When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 20, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). do it.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示パネルの構成例について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, structural examples of the display panel of one embodiment of the present invention will be described.

[構成例]
図21(A)は、本発明の一態様の表示パネルの上面図であり、図21(B)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図21(C)は、本発明の一態様の表示パネルの画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
[Configuration example]
FIG. 21A is a top view of a display panel of one embodiment of the present invention, and FIG. 21B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display panel of one embodiment of the present invention. It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 21C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of the display panel of one embodiment of the present invention.

画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。   The transistor provided in the pixel portion can be formed according to the above embodiment mode. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, a highly reliable display device can be provided by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit.

アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図21(A)に示す。表示装置の基板900上には、画素部901、第1の走査線駆動回路902、第2の走査線駆動回路903、信号線駆動回路904を有する。画素部901には、複数の信号線が信号線駆動回路904から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路902、及び第2の走査線駆動回路903から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板900はFPC(Flexible Printed Circuit)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)に接続されている。   An example of a block diagram of an active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 901, a first scan line driver circuit 902, a second scan line driver circuit 903, and a signal line driver circuit 904 are provided over a substrate 900 of the display device. In the pixel portion 901, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 904, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 902 and the second scan line driver circuit 903. Has been placed. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 900 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図21(A)では、第1の走査線駆動回路902、第2の走査線駆動回路903、信号線駆動回路904は、画素部901と同じ基板900上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板900外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板900上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。   In FIG. 21A, the first scan line driver circuit 902, the second scan line driver circuit 903, and the signal line driver circuit 904 are formed over the same substrate 900 as the pixel portion 901. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when a drive circuit is provided outside the substrate 900, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings increases. In the case where the driver circuit is provided over the same substrate 900, the number of connections between the wirings can be reduced, and reliability or yield can be improved.

〔液晶パネル〕
また、画素の回路構成の一例を図21(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネルの画素に適用することができる画素回路を示す。
[LCD panel]
An example of a circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel circuit which can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display panel is shown.

この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層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層に印加する信号を、独立して制御できる。   This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by a different gate signal. Thereby, the signals applied to the individual pixel electrode layers of the multi-domain designed pixels can be controlled independently.

トランジスタ916のゲート配線912と、トランジスタ917のゲート配線913には、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ソース電極層又はドレイン電極層914は、トランジスタ916とトランジスタ917で共通に用いられている。トランジスタ916とトランジスタ917は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示パネルを提供することができる。   The gate wiring 912 of the transistor 916 and the gate wiring 913 of the transistor 917 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source or drain electrode layer 914 functioning as a data line is used in common for the transistor 916 and the transistor 917. As the transistor 916 and the transistor 917, the transistor described in the above embodiment can be used as appropriate. Thereby, a highly reliable liquid crystal display panel can be provided.

トランジスタ916と電気的に接続する第1の画素電極層と、トランジスタ917と電気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広がる形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。   The shapes of the first pixel electrode layer electrically connected to the transistor 916 and the second pixel electrode layer electrically connected to the transistor 917 are described. The shapes of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated by a slit. The first pixel electrode layer has a V-shaped shape, and the second pixel electrode layer is formed so as to surround the outside of the first pixel electrode layer.

トランジスタ916のゲート電極はゲート配線912と接続され、トランジスタ917のゲート電極はゲート配線913と接続されている。ゲート配線912とゲート配線913に異なるゲート信号を与えてトランジスタ916とトランジスタ917の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。   A gate electrode of the transistor 916 is connected to the gate wiring 912, and a gate electrode of the transistor 917 is connected to the gate wiring 913. By supplying different gate signals to the gate wiring 912 and the gate wiring 913, the operation timings of the transistor 916 and the transistor 917 are made different so that the alignment of the liquid crystal can be controlled.

また、容量配線910と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極層または第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。   Further, a storage capacitor may be formed using the capacitor wiring 910, a gate insulating film functioning as a dielectric, and a capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.

マルチドメイン構造は、一画素に第1の液晶素子918と第2の液晶素子919を備える。第1の液晶素子918は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第2の液晶素子919は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。   The multi-domain structure includes a first liquid crystal element 918 and a second liquid crystal element 919 in one pixel. The first liquid crystal element 918 includes a first pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween, and the second liquid crystal element 919 includes a second pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween. Consists of.

なお、図21(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図21(B)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。   Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 21B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

〔有機ELパネル〕
画素の回路構成の他の一例を図21(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示パネルの画素構造を示す。
[Organic EL panel]
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display panel using an organic EL element is shown.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電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。   In the organic EL element, by applying a voltage to the light-emitting element, electrons are injected from one of the pair of electrodes and holes from the other into the layer containing the light-emitting organic compound, and a current flows. Then, by recombination of electrons and holes, the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element.

図21(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に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。   FIG. 21C illustrates an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. Note that the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be used for a channel formation region of an n-channel transistor. In addition, digital time grayscale driving can be applied to the pixel circuit.

適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。   An applicable pixel circuit configuration and pixel operation when digital time gray scale driving is applied will be described.

画素920は、スイッチング用トランジスタ921、駆動用トランジスタ922、発光素子924及び容量素子923を有している。スイッチング用トランジスタ921は、ゲート電極層が走査線926に接続され、第1電極(ソース電極層及びドレイン電極層の一方)が信号線925に接続され、第2電極(ソース電極層及びドレイン電極層の他方)が駆動用トランジスタ922のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ922は、ゲート電極層が容量素子923を介して電源線927に接続され、第1電極が電源線927に接続され、第2電極が発光素子924の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子924の第2電極は共通電極928に相当する。共通電極928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。   The pixel 920 includes a switching transistor 921, a driving transistor 922, a light emitting element 924, and a capacitor 923. The switching transistor 921 has a gate electrode layer connected to the scanning line 926, a first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) connected to the signal line 925, and a second electrode (the source electrode layer and the drain electrode layer). Is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 922. In the driving transistor 922, the gate electrode layer is connected to the power supply line 927 through the capacitor 923, the first electrode is connected to the power supply line 927, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 924. It is connected. The second electrode of the light emitting element 924 corresponds to the common electrode 928. The common electrode 928 is electrically connected to a common potential line formed over the same substrate.

スイッチング用トランジスタ921および駆動用トランジスタ922は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示パネルを提供することができる。   The transistor described in the above embodiment can be used as appropriate as the switching transistor 921 and the driving transistor 922. Thereby, an organic EL display panel with high reliability can be provided.

発光素子924の第2電極(共通電極928)の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線927に設定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924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924に印加することにより、発光素子924に電流を流して発光させる。なお、発光素子924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。   The potential of the second electrode (common electrode 928) of the light emitting element 924 is set to a low power supply potential. Note that the low power supply potential is a potential lower than the high power supply potential set to the power supply line 927. For example, GND, 0 V, or the like can be set as the low power supply potential. A high power supply potential and a low power supply potential are set so as to be equal to or higher than the threshold voltage in the forward direction of the light emitting element 924, and the potential difference is applied to the light emitting element 924, thereby causing the light emitting element 924 to emit light. Note that the forward voltage of the light-emitting element 924 refers to a voltage for obtaining desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage.

なお、容量素子923は駆動用トランジスタ922のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ922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層との間で容量が形成されていてもよい。   Note that the capacitor 923 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 922. As for the gate capacitance of the driving transistor 922, a capacitance may be formed between the channel formation region and the gate electrode layer.

次に、駆動用トランジスタ922に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ922が十分にオンするか、オフするか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922に入力する。なお、駆動用トランジスタ922を線形領域で動作させるために、電源線927の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ922のゲート電極層にかける。また、信号線925には、電源線電圧に駆動用トランジスタ922の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。   Next, signals input to the driving transistor 922 are described. In the case of the voltage input voltage driving method, a video signal that causes the driving transistor 922 to be sufficiently turned on or off is input to the driving transistor 922. Note that a voltage higher than the voltage of the power supply line 927 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 922 in order to operate the driving transistor 922 in a linear region. In addition, a voltage equal to or higher than a value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 922 to the power supply line voltage is applied to the signal line 925.

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ922のゲート電極層に発光素子924の順方向電圧に駆動用トランジスタ922の閾値電圧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922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924に電流を流す。また、駆動用トランジスタ922を飽和領域で動作させるために、電源線927の電位を、駆動用トランジスタ922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924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。   When analog grayscale driving is performed, a voltage equal to or higher than the value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 922 to the forward voltage of the light emitting element 924 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 922. Note that a video signal is input so that the driving transistor 922 operates in a saturation region, and a current is supplied to the light-emitting element 924. In addition, the potential of the power supply line 927 is set higher than the gate potential of the driving transistor 922 in order to operate the driving transistor 922 in the saturation region. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be supplied to the light emitting element 924 to perform analog gradation driving.

なお、画素回路の構成は、図21(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図21(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。   Note that the structure of the pixel circuit is not limited to the pixel structure illustrated in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.

図21で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(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のゲート電極には図示しない配線により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。   When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 21, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). do it.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態10)
本発明の一態様に係る半導体装置(電力変換回路、電源回路、バッファ回路などを含む)は、機器への電力の供給を制御するのに適しており、特に大きな電力が必要な機器に好適に用いることができる。例えば、モーターなどの電力によりその駆動が制御される駆動部を備える機器や、電力により加熱または冷却を制御する機器などに好適に用いることができる。
(Embodiment 10)
A semiconductor device (including a power conversion circuit, a power supply circuit, a buffer circuit, and the like) according to one embodiment of the present invention is suitable for controlling supply of power to a device, and particularly suitable for a device that requires large power. Can be used. For example, it can be suitably used for a device including a driving unit whose driving is controlled by electric power such as a motor, or a device for controlling heating or cooling by electric power.

本発明の一態様に係る半導体装置を用いることのできる電子機器として、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)などがある。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、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、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、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、扇風機、ドライヤー、エアコンディショナーなどの空調設備、エレベータやエスカレータなどの昇降設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、電動ミシン、電動工具、半導体試験装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る半導体装置は、電力を用いて電動機により推進する移動体に用いられていてもよい。上記移動体には、自動車(自動二輪車、三輪以上の普通自動車)、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、航空機、船舶、鉄道車両などが、その範疇に含まれる。また、食品、家電製品、上記移動体、鉄鋼、半導体機器、土木、建築、建設などのあらゆる分野で用いられる産業用ロボットの駆動の制御に用いることもできる。   As an electronic device that can use the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, a display device, a personal computer, an image reproducing device including a recording medium (typically, a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc, A device having a display capable of displaying the image). In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable information terminal, an electronic book, a video camera, a digital still camera, a goggle type display (head Mount display), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, printer multifunction devices, automatic teller machines (ATMs), vending machines, microwave ovens, etc. Air conditioner such as equipment, electric rice cooker, electric washing machine, electric fan, dryer, air conditioner, elevator equipment such as elevator and escalator, electric refrigerator, electric freezer, electric refrigerator-freezer, electric sewing machine, electric tool, semiconductor test equipment, etc. Is mentioned. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention may be used for a moving body that is propelled by an electric motor using electric power. Examples of the moving body include automobiles (motorcycles, ordinary automobiles of three or more wheels), motorbikes including electric assist bicycles, airplanes, ships, and railway vehicles. It can also be used to control the driving of industrial robots used in all fields such as food, home appliances, mobile bodies, steel, semiconductor equipment, civil engineering, architecture, and construction.

以下では、電子機器の具体例を図22に示す。   Hereinafter, a specific example of the electronic device is illustrated in FIG.

図22(A)は電子レンジ1400であり、筐体1401と、被処理物を載置するための処理室1402と、表示部1403と、操作盤などの入力装置1404と、筐体1401の内部に設置されている高周波発生装置から発生した電磁波を、処理室1402に供給する照射部1405とを、有する。   FIG. 22A illustrates a microwave oven 1400, which includes a housing 1401, a processing chamber 1402 for placing an object to be processed, a display portion 1403, an input device 1404 such as an operation panel, and the inside of the housing 1401. And an irradiation unit 1405 for supplying an electromagnetic wave generated from the high-frequency generator installed in the processing chamber 1402.

本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、高周波発生装置への電力の供給を制御する電源回路に用いることができる。   The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for, for example, a power supply circuit that controls supply of electric power to a high-frequency generator.

図22(B)は洗濯機1410であり、筐体1411と、筐体1411内に設けられた洗濯槽の入り口を、開閉させる開閉部1412と、操作盤などの入力装置1413と、洗濯槽の給水口1414とを、有する。   FIG. 22B illustrates a washing machine 1410, which includes a housing 1411, an opening / closing portion 1412 that opens and closes an entrance of a laundry tub provided in the housing 1411, an input device 1413 such as an operation panel, And a water supply port 1414.

本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、洗濯槽の回転を制御するモーターへの電力の供給を制御する回路に用いることができる。   The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, for example, in a circuit that controls supply of electric power to a motor that controls rotation of a washing tub.

図22(C)は、電気冷凍冷蔵庫の一例である。図22(C)に示す電子機器は、筐体1451と、冷蔵室用扉1452と、冷凍室用扉1453と、を備える。   FIG. 22C illustrates an example of an electric refrigerator-freezer. An electronic device illustrated in FIG. 22C includes a housing 1451, a refrigerator door 1452, and a freezer door 1453.

図22(C)に示す電子機器は、筐体1451の内部に本発明の一態様である半導体装置を有する。上記構成にすることにより、例えば、筐体1451内部の温度に応じて、または冷蔵室用扉1452及び冷凍室用扉1453の開閉に従って、筐体1451内の半導体装置に対する電源電圧の供給を制御できる。   An electronic device illustrated in FIG. 22C includes a semiconductor device that is one embodiment of the present invention inside a housing 1451. With the above structure, for example, supply of power supply voltage to the semiconductor device in the housing 1451 can be controlled in accordance with the temperature inside the housing 1451 or in accordance with opening and closing of the refrigerator door 1452 and the freezer door 1453. .

図22(D)は、エアコンディショナーの一例である。図22(D)に示す電子機器は、室内機1460及び室外機1464により構成される。   FIG. 22D illustrates an example of an air conditioner. The electronic device illustrated in FIG. 22D includes an indoor unit 1460 and an outdoor unit 1464.

室内機1460は、筐体1461と、送風口1462と、を備える。   The indoor unit 1460 includes a housing 1461 and an air outlet 1462.

図22(D)に示す電子機器は、筐体1461の内部に本発明の一態様である半導体装置を有する。上記構成にすることにより、例えば、リモートコントローラからの信号に従って、または室内の温度や湿度に応じて、筐体1461内の半導体装置に対する電源電圧の供給を制御できる。   An electronic device illustrated in FIG. 22D includes a semiconductor device that is one embodiment of the present invention inside a housing 1461. With the above structure, for example, supply of power supply voltage to the semiconductor device in the housing 1461 can be controlled in accordance with a signal from a remote controller or in accordance with indoor temperature or humidity.

また、本発明の一態様の半導体装置は、室外機1464が有するファンの回転を制御するモーターへの電力の供給を制御する回路にも用いることができる。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention can also be used for a circuit that controls supply of electric power to a motor that controls rotation of a fan included in the outdoor unit 1464.

なお、図22(D)では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを1つの筐体に有するエアコンディショナーであってもよい。   Note that FIG. 22D illustrates a separate type air conditioner including an indoor unit and an outdoor unit. However, the air conditioner includes the functions of the indoor unit and the outdoor unit in one housing. There may be.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態11)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置が適用された電子機器の構成例について説明する。
(Embodiment 11)
In this embodiment, structural examples of electronic devices to which the semiconductor device of one embodiment of the present invention is applied will be described.

図23は、本発明の一態様の半導体装置を含む電子機器の外観図である。   FIG. 23 is an external view of an electronic device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention.

電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。   Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a camera such as a digital camera or a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (a mobile phone or a mobile phone). Large-sized game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproduction apparatuses, and pachinko machines.

図23(A)は、携帯型の情報端末であり、本体1001、筐体1002、表示部1003a、1003bなどによって構成されている。表示部1003bはタッチパネルとなっており、表示部1003bに表示されるキーボードボタン1004を触れることで画面操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部1003aをタッチパネルとして構成してもよい。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1003a、1003bに適用することにより、信頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。   FIG. 23A illustrates a portable information terminal, which includes a main body 1001, a housing 1002, display portions 1003a and 1003b, and the like. The display portion 1003b is a touch panel, and screen operations and character input can be performed by touching a keyboard button 1004 displayed on the display portion 1003b. Of course, the display unit 1003a may be configured as a touch panel. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portions 1003a and 1003b, a highly reliable portable information terminal can be obtained.

図23(A)に示す携帯型の情報端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。   A portable information terminal illustrated in FIG. 23A has a function of displaying various information (a still image, a moving image, a text image, and the like), a function of displaying a calendar, a date, a time, or the like on a display portion, and a display on the display portion. It is possible to have a function of operating or editing the processed information, a function of controlling processing by various software (programs), and the like. In addition, an external connection terminal (such as an earphone terminal or a USB terminal), a recording medium insertion portion, or the like may be provided on the rear surface or side surface of the housing.

また、図23(A)に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。   In addition, the portable information terminal illustrated in FIG. 23A may be configured to transmit and receive information wirelessly. It is also possible to adopt a configuration in which desired book data or the like is purchased and downloaded from an electronic book server wirelessly.

図23(B)は、携帯音楽プレイヤーであり、本体1021には表示部1023と、耳に装着するための固定部1022と、スピーカー、操作ボタン1024、外部メモリスロット1025等が設けられている。上記実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1023に適用することにより、より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。   FIG. 23B shows a portable music player. A main body 1021 is provided with a display portion 1023, a fixing portion 1022 to be attached to the ear, a speaker, operation buttons 1024, an external memory slot 1025, and the like. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portion 1023, a portable music player with higher reliability can be obtained.

さらに、図23(B)に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフリーでの会話も可能である。   Furthermore, if the portable music player shown in FIG. 23B has an antenna, a microphone function, and a wireless function and is linked to a mobile phone, a wireless hands-free conversation is possible while driving a passenger car or the like.

図23(C)は、携帯電話であり、筐体1030及び筐体1031の二つの筐体で構成されている。筐体1031には、表示パネル1032、スピーカー1033、マイクロフォン1034、ポインティングデバイス1036、カメラ用レンズ1037、外部接続端子1038などを備えている。また、筐体1030には、携帯電話の充電を行う太陽電池セル1040、外部メモリスロット1041などを備えている。また、アンテナは筐体1031内部に内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示パネル1032に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。   FIG. 23C illustrates a mobile phone, which includes two housings, a housing 1030 and a housing 1031. The housing 1031 includes a display panel 1032, a speaker 1033, a microphone 1034, a pointing device 1036, a camera lens 1037, an external connection terminal 1038, and the like. The housing 1030 is provided with a solar battery cell 1040 for charging the mobile phone, an external memory slot 1041, and the like. The antenna is incorporated in the housing 1031. By applying the transistor described in the above embodiment to the display panel 1032, a highly reliable mobile phone can be obtained.

また、表示パネル1032はタッチパネルを備えており、図23(C)には映像表示されている複数の操作キー1035を点線で示している。なお、太陽電池セル1040で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。   The display panel 1032 includes a touch panel. A plurality of operation keys 1035 displayed as images is illustrated by dashed lines in FIG. Note that a booster circuit for boosting the voltage output from the solar battery cell 1040 to a voltage required for each circuit is also mounted.

例えば、昇圧回路などの電源回路に用いられるパワートランジスタも上記実施の形態で説明するトランジスタを適用することができる。   For example, the transistor described in the above embodiment can also be used as a power transistor used in a power supply circuit such as a booster circuit.

表示パネル1032は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル1032と同一面上にカメラ用レンズ1037を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー1033及びマイクロフォン1034は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体1030と筐体1031は、スライドし、図23(C)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。   In the display panel 1032, the display direction can be appropriately changed depending on a usage pattern. In addition, since the camera lens 1037 is provided on the same surface as the display panel 1032, a videophone can be used. The speaker 1033 and the microphone 1034 can be used for videophone calls, recording and playing sound, and the like as well as voice calls. Further, the housing 1030 and the housing 1031 can be slid to be in an overlapped state from the deployed state as illustrated in FIG. 23C, and thus can be reduced in size to be portable.

外部接続端子1038はACアダプタ及びUSBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット1041に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応できる。   The external connection terminal 1038 can be connected to an AC adapter and various types of cables such as a USB cable, and charging and data communication with a personal computer are possible. In addition, a recording medium can be inserted into the external memory slot 1041 so that a larger amount of data can be stored and moved.

また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。   In addition to the above functions, an infrared communication function, a television reception function, or the like may be provided.

図23(D)は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置1050は、筐体1051に表示部1053が組み込まれている。表示部1053により、映像を表示することが可能である。また、筐体1051を支持するスタンド1055にCPUが内蔵されている。上記実施の形態で説明するトランジスタを表示部1053およびCPUに適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。   FIG. 23D illustrates an example of a television set. In the television device 1050, a display portion 1053 is incorporated in a housing 1051. An image can be displayed on the display portion 1053. In addition, a CPU is incorporated in a stand 1055 that supports the housing 1051. By applying the transistor described in the above embodiment to the display portion 1053 and the CPU, the television set 1050 with high reliability can be provided.

テレビジョン装置1050の操作は、筐体1051が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。   The television device 1050 can be operated with an operation switch provided in the housing 1051 or a separate remote controller. Further, the remote controller may be provided with a display unit that displays information output from the remote controller.

なお、テレビジョン装置1050は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。   Note that the television set 1050 is provided with a receiver, a modem, and the like. General TV broadcasts can be received by a receiver, and connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional (sender and receiver). It is also possible to perform information communication between each other or between recipients).

また、テレビジョン装置1050は、外部接続端子1054や、記憶媒体再生録画部1052、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子1054は、USBケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。記憶媒体再生録画部1052では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモリスロットに差し込まれた外部メモリ1056にデータ保存されている画像や映像などを表示部1053に映し出すことも可能である。   In addition, the television device 1050 includes an external connection terminal 1054, a storage medium playback / recording unit 1052, and an external memory slot. The external connection terminal 1054 can be connected to various types of cables such as a USB cable, and data communication with a personal computer or the like is possible. The storage medium playback / recording unit 1052 can insert a disk-shaped recording medium, read data stored in the recording medium, and write data to the recording medium. In addition, an image, a video, or the like stored in the external memory 1056 inserted into the external memory slot can be displayed on the display portion 1053.

また、上記実施の形態で説明するトランジスタのオフリーク電流が極めて小さい場合は、当該トランジスタを外部メモリ1056やCPUに適用することにより、消費電力が十分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることができる。   Further, in the case where the off-leakage current of the transistor described in the above embodiment is extremely small, by applying the transistor to the external memory 1056 or the CPU, the highly reliable television device 1050 whose power consumption is sufficiently reduced is described. can do.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。   This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

100 トランジスタ
101 基板
102 半導体層
103a 電極
103b 電極
104 絶縁層
105 ゲート電極
105a ゲート電極
105b ゲート電極
106 絶縁層
107 絶縁層
108 絶縁層
109 絶縁層
111a 配線
111b 配線
111c 配線
121 酸化物層
122 酸化物層
200 トランジスタ
210 トランジスタ
220 トランジスタ
400 電源回路
401 パワースイッチ
402 パワースイッチ
403 電圧調整部
404 蓄電装置
405 補助電源
406 電圧発生回路
407 トランジスタ
408 トランジスタ
409 トランジスタ
410 トランジスタ
411 無線信号入力回路
413 制御回路
414 容量素子
415 容量素子
416 電源
417 負荷
501 DCDCコンバータ
502 容量素子
503 トランジスタ
504 制御回路
505 ダイオード
506 コイル
507 容量素子
508 負荷
511 DCDCコンバータ
512 容量素子
513 トランジスタ
514 制御回路
515 変圧器
516 ダイオード
517 容量素子
518 負荷
601 インバータ
602 トランジスタ
603 トランジスタ
604 トランジスタ
605 トランジスタ
606 制御回路
701 バッファ回路
702 駆動回路
711 トランジスタ
712 トランジスタ
713 インバータ
715 電源
716 電源
721 パワースイッチ
722 IGBT
900 基板
901 画素部
902 走査線駆動回路
903 走査線駆動回路
904 信号線駆動回路
910 容量配線
912 ゲート配線
913 ゲート配線
914 ドレイン電極層
916 トランジスタ
917 トランジスタ
918 液晶素子
919 液晶素子
920 画素
921 スイッチング用トランジスタ
922 駆動用トランジスタ
923 容量素子
924 発光素子
925 信号線
926 走査線
927 電源線
928 共通電極
1001 本体
1002 筐体
1003a 表示部
1003b 表示部
1004 キーボードボタン
1021 本体
1022 固定部
1023 表示部
1024 操作ボタン
1025 外部メモリスロット
1030 筐体
1031 筐体
1032 表示パネル
1033 スピーカー
1034 マイクロフォン
1035 操作キー
1036 ポインティングデバイス
1037 カメラ用レンズ
1038 外部接続端子
1040 太陽電池セル
1041 外部メモリスロット
1050 テレビジョン装置
1051 筐体
1052 記憶媒体再生録画部
1053 表示部
1054 外部接続端子
1055 スタンド
1056 外部メモリ
1400 電子レンジ
1401 筐体
1402 処理室
1403 表示部
1404 入力装置
1405 照射部
1410 洗濯機
1411 筐体
1412 開閉部
1413 入力装置
1414 給水口
1451 筐体
1452 冷蔵室用扉
1453 冷凍室用扉
1460 室内機
1461 筐体
1462 送風口
1464 室外機
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
100 transistor 101 substrate 102 semiconductor layer 103a electrode 103b electrode 104 insulating layer 105 gate electrode 105a gate electrode 105b gate electrode 106 insulating layer 107 insulating layer 108 insulating layer 109 insulating layer 111a wiring 111b wiring 111c wiring 121 oxide layer 122 oxide layer 200 Transistor 210 Transistor 220 Transistor 400 Power supply circuit 401 Power switch 402 Power switch 403 Voltage adjustment unit 404 Power storage device 405 Auxiliary power supply 406 Voltage generation circuit 407 Transistor 408 Transistor 409 Transistor 410 Transistor 411 Wireless signal input circuit 413 Control circuit 414 Capacitance element 415 Capacitance element 416 Power supply 417 Load 501 DCDC converter 502 Capacitance element 503 Transistor 504 Control circuit 05 diode 506 coil 507 capacitive element 508 load 511 DCDC converter 512 capacitive element 513 transistor 514 control circuit 515 transformer 516 diode 517 capacitive element 518 load 601 inverter 602 transistor 603 transistor 604 transistor 605 transistor 606 control circuit 701 buffer circuit 702 drive circuit 711 Transistor 712 Transistor 713 Inverter 715 Power supply 716 Power supply 721 Power switch 722 IGBT
900 Substrate 901 Pixel portion 902 Scan line driver circuit 903 Scan line driver circuit 904 Signal line driver circuit 910 Capacitive wiring 912 Gate wiring 913 Gate wiring 914 Drain electrode layer 916 Transistor 917 Transistor 918 Liquid crystal element 919 Liquid crystal element 920 Pixel 921 Switching transistor 922 Driving transistor 923 Capacitor element 924 Light emitting element 925 Signal line 926 Scan line 927 Power line 928 Common electrode 1001 Main body 1002 Case 1003a Display unit 1003b Display unit 1004 Keyboard button 1021 Main unit 1022 Fixed unit 1023 Display unit 1024 Operation button 1025 External memory slot 1030 Case 1031 Case 1032 Display panel 1033 Speaker 1034 Microphone 1035 Operation key 1036 Pointing Vise 1037 Camera lens 1038 External connection terminal 1040 Solar cell 1041 External memory slot 1050 Television device 1051 Case 1052 Storage medium playback recording unit 1053 Display unit 1054 External connection terminal 1055 Stand 1056 External memory 1400 Microwave oven 1401 Case 1402 Processing Room 1403 Display unit 1404 Input device 1405 Irradiation unit 1410 Washing machine 1411 Case 1412 Opening / closing unit 1413 Input device 1414 Water supply port 1451 Case 1452 Refrigeration room door 1453 Freezer compartment door 1460 Indoor unit 1461 Case 1462 Blower port 1464 Outdoor unit 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3200 Transistor 3300 Transistor 3400 Capacitance element

Claims (5)

酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層を挟んで上下に位置する第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート電極との間の第1のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート電極との間の第2のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、を有するトランジスタであって
前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と重なる第1の領域と、前記ドレイン電極と重なる第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極とは重ならない第3の領域とを有し、
前記第3の領域は、前記第2のゲート電極と重なる第4の領域と、前記第1の領域と前記第4の領域との間の第5の領域と、前記第2の領域と前記第4の領域との間の第6の領域と、を有し、
前記第3の領域は全て、前記第1のゲート電極と重なり、
前記第1のゲート電極のチャネル長方向の長さは、前記第2のゲート電極のチャネル長方向の長さよりも長く、
前記第1のゲート電極は、前記第2のゲート絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第1のゲート絶縁層を介して、前記第2のゲート電極の上方に位置し、
前記第1のゲート電極は、前記トランジスタのスイッチング動作を制御する機能を有し、
前記第2のゲート電極は、前記トランジスタのしきい値電圧を制御する機能を有することを特徴とするトランジスタ
An oxide semiconductor layer;
A first gate electrode and a second gate electrode positioned above and below the oxide semiconductor layer;
A first gate insulating layer between the oxide semiconductor layer and the first gate electrode;
A second gate insulating layer between the oxide semiconductor layer and the second gate electrode;
A transistor which have a, a source electrode and a drain electrode in contact with the oxide semiconductor layer,
The oxide semiconductor layer includes a first region that overlaps the source electrode, a second region that overlaps the drain electrode, and the source electrode and the second region between the first region and the second region. A third region that does not overlap the drain electrode;
The third region includes a fourth region overlapping with the second gate electrode, a fifth region between the first region and the fourth region, the second region, and the second region. A sixth region between the four regions, and
All of the third region overlaps the first gate electrode;
The channel length direction of the length of the first gate electrode, rather long than the channel length direction of the length of the second gate electrode,
The first gate electrode is located above the second gate electrode through the second gate insulating layer, the oxide semiconductor layer, and the first gate insulating layer,
The first gate electrode has a function of controlling a switching operation of the transistor;
The transistor, wherein the second gate electrode has a function of controlling a threshold voltage of the transistor .
酸化物半導体層と、An oxide semiconductor layer;
前記酸化物半導体層を挟んで上下に位置する第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、A first gate electrode and a second gate electrode positioned above and below the oxide semiconductor layer;
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート電極との間の第1のゲート絶縁層と、A first gate insulating layer between the oxide semiconductor layer and the first gate electrode;
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート電極との間の第2のゲート絶縁層と、A second gate insulating layer between the oxide semiconductor layer and the second gate electrode;
前記酸化物半導体層と接するソース電極及びドレイン電極と、を有するトランジスタであって、A transistor having a source electrode and a drain electrode in contact with the oxide semiconductor layer,
前記酸化物半導体層は、前記ソース電極と重なる第1の領域と、前記ドレイン電極と重なる第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極とは重ならない第3の領域とを有し、The oxide semiconductor layer includes a first region that overlaps the source electrode, a second region that overlaps the drain electrode, and the source electrode and the second region between the first region and the second region. A third region that does not overlap the drain electrode;
前記第3の領域は、前記第2のゲート電極と重なる第4の領域と、前記第1の領域と前記第4の領域との間の第5の領域と、前記第2の領域と前記第4の領域との間の第6の領域と、を有し、The third region includes a fourth region overlapping with the second gate electrode, a fifth region between the first region and the fourth region, the second region, and the second region. A sixth region between the four regions, and
前記第3の領域は全て、前記第1のゲート電極と重なり、All of the third region overlaps the first gate electrode;
前記第1のゲート電極のチャネル長方向の長さは、前記第2のゲート電極のチャネル長方向の長さよりも長く、The length of the first gate electrode in the channel length direction is longer than the length of the second gate electrode in the channel length direction,
前記第1のゲート電極は、前記第2のゲート絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第1のゲート絶縁層を介して、前記第2のゲート電極の上方に位置し、The first gate electrode is located above the second gate electrode through the second gate insulating layer, the oxide semiconductor layer, and the first gate insulating layer,
前記第1のゲート絶縁層の材料は、前記第2のゲート絶縁層の材料と同じであり、The material of the first gate insulating layer is the same as the material of the second gate insulating layer,
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚よりも小さいことを特徴とするトランジスタ。The transistor is characterized in that the thickness of the first gate insulating layer is smaller than the thickness of the second gate insulating layer.
請求項1または請求項2において、
前記第6の領域のチャネル長方向の長さは、前記第5の領域のチャネル長方向の長さよりも長いことを特徴とするトランジスタ
In claim 1 or claim 2 ,
The length in the channel length direction of the sixth region, the transistor according to claim longer than the length in the channel length direction of the fifth region.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の一方は、前記酸化物半導体層と重なる開口を有する環状の上面形状を有し、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の他方は、前記開口の内側に設けられることを特徴とするトランジスタ
In any one of Claim 1 thru | or 3 ,
One of the source electrode and the drain electrode has an annular top surface shape having an opening overlapping the oxide semiconductor layer,
The other of the source electrode and the drain electrode, a transistor, characterized in that provided inside the opening.
請求項1乃至請求項のいずれか一において、
前記酸化物半導体層と前記第1のゲート絶縁層との間の第1の酸化物層と、
前記酸化物半導体層と前記第2のゲート絶縁層との間の第2の酸化物層と、有し、
前記第1の酸化物層及び前記第2の酸化物層は、前記酸化物半導体層が有する金属元素と同じ金属元素を一種以上有することを特徴とするトランジスタ
In any one of claims 1 to 4,
A first oxide layer between the oxide semiconductor layer and the first gate insulating layer;
A second oxide layer between the oxide semiconductor layer and the second gate insulating layer;
The first oxide layer and said second oxide layer, a transistor and having the oxide semiconductor layer of one or more of the same metal element as the metal element included in the.
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