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JP2017120833A - Semiconductor device and manufacturing method thereof, semiconductor substrate, circuit board, and electronic device - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof, semiconductor substrate, circuit board, and electronic device Download PDF

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JP2017120833A
JP2017120833A JP2015256700A JP2015256700A JP2017120833A JP 2017120833 A JP2017120833 A JP 2017120833A JP 2015256700 A JP2015256700 A JP 2015256700A JP 2015256700 A JP2015256700 A JP 2015256700A JP 2017120833 A JP2017120833 A JP 2017120833A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
transistor
insulator
wiring
conductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2015256700A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
篤志 広瀬
Atsushi Hirose
篤志 広瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2015256700A priority Critical patent/JP2017120833A/en
Publication of JP2017120833A publication Critical patent/JP2017120833A/en
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Abstract

【課題】保持容量が大きな容量素子を有する半導体装置または記憶装置を提供する。
【解決手段】トランジスタと、容量素子と、絶縁体と、を有する。トランジスタはバックゲート電極と、酸化物半導体と、を有し、容量素子は第1の電極と、第2の電極と、を有する。トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の電極と電気的に接続され、バックゲート電極および第2の電極は絶縁体の表面上に設けられる。第1の電極は絶縁体を間に介して第2の電極と重なる領域を有し、バックゲート電極は絶縁体を間に介して酸化物半導体と重なる領域を有する。第2の電極の高さを高くすることにより容量素子の保持容量を大きくすることができる。また、第2の電極とバックゲート電極を同一の工程で形成することにより製造工程を簡略化することができる。
【選択図】図2
A semiconductor device or memory device having a capacitor with a large storage capacitor is provided.
A transistor, a capacitor, and an insulator are included. The transistor includes a back gate electrode and an oxide semiconductor, and the capacitor includes a first electrode and a second electrode. One of a source and a drain of the transistor is electrically connected to the first electrode, and the back gate electrode and the second electrode are provided over the surface of the insulator. The first electrode has a region overlapping with the second electrode with an insulator interposed therebetween, and the back gate electrode has a region overlapping with the oxide semiconductor with the insulator interposed therebetween. By increasing the height of the second electrode, the storage capacity of the capacitor can be increased. In addition, the manufacturing process can be simplified by forming the second electrode and the back gate electrode in the same process.
[Selection] Figure 2

Description

本発明の一態様は、半導体装置または記憶装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device or a memory device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、回路基板、電子機器、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a circuit board, an electronic device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

DRAM(Dynamic Random Access Memory)は、容量素子への電荷の供給によりデータの記録を行う。そのため、容量素子への電荷の供給を制御するトランジスタのオフ電流が小さいほど、データが保持される期間を長く確保することができ、リフレッシュ動作の頻度を低減できる。特許文献1には、酸化物半導体膜を用いた、オフ電流が著しく小さいトランジスタにより、長期にわたり記録内容を保持することができる半導体装置について、記載されている。 A DRAM (Dynamic Random Access Memory) records data by supplying charges to a capacitor. Therefore, the smaller the off-state current of the transistor that controls the supply of charge to the capacitor, the longer the period during which data is held, and the frequency of refresh operations can be reduced. Patent Document 1 describes a semiconductor device that uses an oxide semiconductor film and can hold recorded contents for a long time with a transistor with extremely low off-state current.

特許文献2には、活性層の上下にゲート電極を形成する構成について記載されている。 Patent Document 2 describes a configuration in which gate electrodes are formed above and below an active layer.

特許文献3には、円形薄膜トランジスタの構成について記載されている。 Patent Document 3 describes the configuration of a circular thin film transistor.

特開2011−151383号公報JP 2011-151383 A 特開2007−029394号公報JP 2007-029394 A 特開2006−352087号公報JP 2006-352087 A 特開1993−082787号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1993-082787

特許文献4では、記憶装置を構成する記憶素子が有するトランジスタと、容量素子と、は異なる層に形成されている。この場合、容量素子を形成するために専用の配線および層間膜などが必要となる。これにより、製造コストの上昇および、トランジスタや容量素子などの厚膜化が問題となる。 In Patent Document 4, the transistor included in the memory element included in the memory device and the capacitor are formed in different layers. In this case, a dedicated wiring, an interlayer film, and the like are required to form the capacitive element. As a result, an increase in manufacturing cost and an increase in thickness of a transistor, a capacitor element, and the like become problems.

本発明の一態様は、保持容量が大きな容量素子を有する半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、記憶容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、高速に動作する半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、読み出し時のエラーが低減された半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、簡易な工程で製造することができる半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、低価格の半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置または記憶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 or a memory device including a capacitor with a large storage capacitor. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device with high storage capacity. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device including a transistor with high on-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device including a transistor with low off-state current. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device that operates at high speed. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device in which errors in reading are reduced. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device that can be manufactured through a simple process. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a low-cost semiconductor device or memory device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or a memory device with low power consumption.

または、本発明の一態様は、新規な半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device or a memory device.

なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。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 one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the problems described above, and may be one that can solve at least one problem. Further, the description of the above problem does not disturb the existence of other problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract other issues from the description of the specification, drawings, claims, etc. .

トランジスタと、容量素子と、絶縁体と、を有し、トランジスタはバックゲート電極と、酸化物半導体と、を有し、容量素子は、第1の電極と、第2の電極と、を有し、トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の電極と電気的に接続され、バックゲート電極は、絶縁体の表面上に設けられ、第2の電極は、絶縁体の表面上に設けられ、第1の電極は、絶縁体を間に介して、第2の電極と重なる領域を有し、バックゲート電極は、絶縁体を間に介して、酸化物半導体と重なる領域を有し、バックゲート電極および第2の電極は、同一の材料で構成され、絶縁体の表面からバックゲート電極の頂点までの高さは、絶縁体の表面から第2の電極の頂点までの高さと等しい半導体装置である。 The transistor includes a transistor, a capacitor, and an insulator. The transistor includes a back gate electrode and an oxide semiconductor. The capacitor includes a first electrode and a second electrode. One of the source and the drain of the transistor is electrically connected to the first electrode, the back gate electrode is provided on the surface of the insulator, and the second electrode is provided on the surface of the insulator, The first electrode has a region overlapping with the second electrode with an insulator interposed therebetween, and the back gate electrode has a region overlapping with the oxide semiconductor with the insulator interposed therebetween, and the back gate The electrode and the second electrode are made of the same material, and the height from the surface of the insulator to the top of the back gate electrode is the same as the height from the surface of the insulator to the top of the second electrode. is there.

また、絶縁体の表面からバックゲート電極の頂点までの高さおよび、絶縁体の表面から第2の電極の頂点までの高さは100nm以上500nm以下であってもよい。 Further, the height from the surface of the insulator to the top of the back gate electrode and the height from the surface of the insulator to the top of the second electrode may be not less than 100 nm and not more than 500 nm.

また、トランジスタのソースまたはドレインの他方は上面から見て円状に設けられ、トランジスタのソースまたはドレインの一方と、容量素子が有する第1の電極と、は上面から見てトランジスタのソースまたはドレインの他方の外側に設けられていてもよい。 The other of the source and the drain of the transistor is provided in a circular shape when viewed from above, and one of the source and the drain of the transistor and the first electrode included in the capacitor are connected to the source or drain of the transistor when viewed from the upper surface. It may be provided on the other outer side.

また、トランジスタのソースまたはドレインの一方と、容量素子が有する第1の電極と、は上面から見て同心円状に設けられていてもよい。 One of the source and the drain of the transistor and the first electrode included in the capacitor may be provided concentrically as viewed from above.

また、酸化物半導体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)、亜鉛および酸素を有してもよい。 The oxide semiconductor may include indium, an element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf), zinc, and oxygen.

トランジスタのバックゲート電極と、容量素子の電極の一方と、が同一の工程で形成される半導体装置の作製方法も本発明の一態様である。 A method for manufacturing a semiconductor device in which the back gate electrode of the transistor and one of the electrodes of the capacitor are formed in the same step is also one embodiment of the present invention.

本発明の一態様の半導体装置を複数個有し、ダイシング用の領域を有する半導体基板も本発明の一態様である。 A semiconductor substrate including a plurality of semiconductor devices of one embodiment of the present invention and having a dicing region is also one embodiment of the present invention.

本発明の一態様の半導体装置を有する電子部品と、プリント基板と、を有する回路基板も本発明の一態様である。 A circuit board including an electronic component including the semiconductor device of one embodiment of the present invention and a printed board is also one embodiment of the present invention.

本発明の一態様の半導体装置または、本発明の一態様の回路基板と、表示部、マイクロホン、スピーカー、または操作キーと、を有する電子機器も本発明の一態様である。 An electronic device including the semiconductor device of one embodiment of the present invention or the circuit board of one embodiment of the present invention and a display portion, a microphone, a speaker, or an operation key is also one embodiment of the present invention.

本発明の一態様により、保持容量が大きな容量素子を有する半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、記憶容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高速に動作する半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、読み出し時のエラーが低減された半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、簡易な工程で製造することができる半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、低価格の半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置または記憶装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device including a capacitor with a large storage capacitor can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device with a large storage capacity can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device that operates at high speed can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device in which errors in reading are reduced can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device that can be manufactured through a simple process can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a low-cost semiconductor device or memory device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or a memory device with low power consumption can be provided.

または、本発明の一態様により、新規な半導体装置または記憶装置を提供することができる。 Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device or memory device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

半導体装置を説明する回路図およびブロック図。6A and 6B are a circuit diagram and a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図。FIG. 10 is a top view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図。FIG. 10 is a top view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図。FIG. 10 is a top view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図。FIG. 10 is a top view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する上面図および断面図。8A and 8B are a top view and cross-sectional views illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図および断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図および断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図および断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 本発明に係る半導体の原子数比の範囲を説明する図。The figure explaining the range of atomic ratio of the semiconductor which concerns on this invention. InMZnOの結晶を説明する図。FIG. 6 illustrates a crystal of InMZnO 4 . 半導体の積層構造におけるバンド図。The band figure in the laminated structure of a semiconductor. CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。FIGS. 4A to 4C illustrate structural analysis by XRD of a CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor, and a diagram illustrating a limited-field electron diffraction pattern of the CAAC-OS. FIGS. CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。Sectional TEM image of CAAC-OS, planar TEM image and image analysis image thereof. nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS, and the cross-sectional TEM image of nc-OS. a−like OSの断面TEM像。Cross-sectional TEM image of a-like OS. In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。FIG. 6 shows changes in crystal parts of an In—Ga—Zn oxide due to electron irradiation. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の作製方法を説明する断面図。10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明するブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a semiconductor device. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明するタイミングチャート。6 is a timing chart illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 半導体装置を説明するブロック図、回路図および波形図。10A and 10B are a block diagram, a circuit diagram, and a waveform diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図およびタイミングチャート。6A and 6B are a circuit diagram and a timing chart illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図、上面図および断面図。4A and 4B are a circuit diagram, a top view, and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 半導体装置を説明する回路図および断面図。6A and 6B are a circuit diagram and a cross-sectional view illustrating a semiconductor device. 電子部品の作製工程を示すフローチャート図および斜視模式図。The flowchart figure which shows the manufacturing process of an electronic component, and a perspective schematic diagram. 電子機器を説明する図。10A and 10B each illustrate an electronic device.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description in the following embodiments, and those skilled in the art can easily understand that the forms and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

また、本発明の一態様は、RF(Radio Frequency)タグ、半導体表示装置、集積回路を含むあらゆる装置が、その範疇に含まれる。また、表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field Emission Display)など、集積回路を回路に有している表示装置が、その範疇に含まれる。 One embodiment of the present invention includes, in its category, any device including an RF (Radio Frequency) tag, a semiconductor display device, and an integrated circuit. In addition, the display device includes a liquid crystal display device, a light emitting device including a light emitting element represented by an organic light emitting element in each pixel, electronic paper, DMD (Digital Micromirror Device), PDP (Plasma Display Panel), FED (Field Emission) A display device having an integrated circuit in a circuit such as Display) is included in the category.

なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いることがある。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 Note that in describing the structure of the invention with reference to the drawings, the same reference numerals may be used in common in different drawings. In addition, when referring to the same thing, a hatch pattern is made the same and there is a case where it does not attach a code in particular.

以下の実施の形態に示す構成は、実施の形態に示す他の構成に対して適宜、適用、組み合わせ、または置き換えなどを行って、本発明の一態様とすることができる。 The structures described in the following embodiments can be applied to, combined with, or replaced with the other structures described in the embodiments as appropriate, according to one embodiment of the present invention.

なお、図において、大きさ、膜(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。 Note that the size, the thickness of films (layers), or regions in drawings is sometimes exaggerated for simplicity.

なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替えることが可能である。 Note that in this specification, the expression “film” and the expression “layer” can be interchanged with each other.

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 The ordinal numbers attached as the first and second are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of lamination. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.

また、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 In addition, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y are electrically connected, and X and Y function. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and anything other than the connection relation shown in the figure or text is also described in the figure or text.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y is shown. More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conductive state (off state), and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which a current flows. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And when X and Y are functionally connected (that is, functionally connected with another circuit between X and Y) And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that

なお、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 In addition, even in the case where the components shown in the drawing are shown as being electrically connected to each other, one component may have the functions of a plurality of components. is there. For example, in the case where part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of both the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 Note that even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently low, the semiconductor device may have characteristics as an “insulator”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “insulator” is ambiguous and may not be strictly discriminated. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called an “insulator” in some cases. Similarly, an “insulator” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。 In addition, even when “semiconductor” is described, for example, when the conductivity is sufficiently high, the semiconductor device may have characteristics as a “conductor”. In addition, the boundary between “semiconductor” and “conductor” is ambiguous, and there are cases where it cannot be strictly distinguished. Therefore, a “semiconductor” in this specification can be called a “conductor” in some cases. Similarly, a “conductor” in this specification can be called a “semiconductor” in some cases.

また、絶縁体という記載は、絶縁膜または絶縁層と言い換えることもできる。また、導電体という記載は、導電膜または導電層と言い換えることもできる。また、半導体という記載は、半導体膜または半導体層と言い換えることもできる。 The term “insulator” can also be referred to as an insulating film or an insulating layer. The description of a conductor can also be referred to as a conductive film or a conductive layer. The term “semiconductor” can also be referred to as a semiconductor film or a semiconductor layer.

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。 Note that the impurity of the semiconductor means, for example, a component other than the main component constituting the semiconductor. For example, an element having a concentration of less than 0.1 atomic% is an impurity. When impurities are included, for example, DOS (Density of State) may be formed in the semiconductor, carrier mobility may be reduced, or crystallinity may be reduced. When the semiconductor is an oxide semiconductor, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include Group 1 elements, Group 2 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and transition metals other than the main component. In particular, for example, hydrogen (also included in water), lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like. In the case of an oxide semiconductor, oxygen vacancies may be formed by mixing impurities such as hydrogen, for example. In the case where the semiconductor is a silicon layer, examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include group 1 elements, group 2 elements, group 13 elements, and group 15 elements excluding oxygen and hydrogen.

また、本明細書において、Aが大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bの領域を有する、と記載する場合、例えば、Aのある領域における全体が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、Aのある領域における平均値が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、Aのある領域における中央値が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、Aのある領域における最大値が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、Aのある領域における最小値が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、Aのある領域における収束値が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合、測定上Aそのものの確からしい値の得られる領域が大きさB、長さB、厚さBまたは幅Bである場合などを含む。 Further, in this specification, when A is described as having a region having a size B, a length B, a thickness B, or a width B, for example, the entire region in which A is a size B, a length B, When the thickness is B or the width B, the average value in the region with A is the size B and the length B, and when the thickness is the thickness B or the width B, the median value in the region with the A is the size B and the length. If B, thickness B, or width B, the maximum value in a region of A is size B, length B, thickness B, or width B, and the minimum value in a region of A is size B, When the length B, the thickness B or the width B is a convergence value in a certain region A is the size B, the length B, the thickness B or the width B, a probable value of A itself is obtained in the measurement. The case where the region to be formed is a size B, a length B, a thickness B, or a width B is included.

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。 The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different). For example, in a transistor having a three-dimensional structure, the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible. For example, in a transistor having a fine and three-dimensional structure, the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。 By the way, in a transistor having a three-dimensional structure, it may be difficult to estimate an effective channel width by actual measurement. For example, in order to estimate the effective channel width from the design value, it is necessary to assume that the shape of the semiconductor is known. Therefore, it is difficult to accurately measure the effective channel width when the shape of the semiconductor is not accurately known.

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channel Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。 Therefore, in this specification, in the top view of a transistor, an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is expressed as “enclosed channel width ( SCW: Surrounded Channel Width). In this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width. Alternatively, in this specification, in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。 Note that in the case where the field-effect mobility of a transistor, the current value per channel width, and the like are calculated and calculated, the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

<半導体装置の基本的な構成>
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例として記憶装置の構成について説明する。
<Basic configuration of semiconductor device>
A structure of a memory device is described below as an example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

図1(A)に、本発明の一態様の記憶装置が有するメモリセル11の回路構成の一例を示す。メモリセル11は、トランジスタ12と、容量素子13と、配線BLと、配線WLと、配線PLと、を有する。なお、図1(A)ではトランジスタ12をnチャネル型トランジスタとしているが、pチャネル型トランジスタとしてもよい。 FIG. 1A illustrates an example of a circuit configuration of the memory cell 11 included in the memory device of one embodiment of the present invention. The memory cell 11 includes a transistor 12, a capacitor 13, a wiring BL, a wiring WL, and a wiring PL. Note that although the transistor 12 is an n-channel transistor in FIG. 1A, it may be a p-channel transistor.

本明細書ではnチャネル型トランジスタをn−ch型トランジスタ、pチャネル型トランジスタをp−ch型トランジスタと呼ぶことがある。 In this specification, an n-channel transistor may be referred to as an n-ch transistor, and a p-channel transistor may be referred to as a p-ch transistor.

トランジスタ12のソースまたはドレインの一方は、容量素子13の第1の電極と電気的に接続されている。トランジスタ12のソースまたはドレインの他方は、配線BLと電気的に接続されている。トランジスタ12のゲートは、配線WLと電気的に接続されている。容量素子13の第2の電極は、配線PLと電気的に接続されている。 One of the source and the drain of the transistor 12 is electrically connected to the first electrode of the capacitor 13. The other of the source and the drain of the transistor 12 is electrically connected to the wiring BL. A gate of the transistor 12 is electrically connected to the wiring WL. The second electrode of the capacitor 13 is electrically connected to the wiring PL.

トランジスタ12は、容量素子13へのデータの書き込みおよびデータの読み出しを制御する機能を有する。容量素子13は、データを保持する機能を有する。 The transistor 12 has a function of controlling data writing to and data reading from the capacitor 13. The capacitor 13 has a function of holding data.

配線BLは、メモリセル11に書き込むデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)またはメモリセル11から読み出されたデータに対応する電位(以下、読み出し電位ともいう)を伝送する、ビット線としての機能を有する。配線WLは、データの書き込みまたはデータの読み出しを行うメモリセル11を選択する、ワード線としての機能を有する。配線PLは電源線としての機能を有し、例えばLレベル電位を印加することができる。 The wiring BL transmits a potential corresponding to data written to the memory cell 11 (hereinafter also referred to as a write potential) or a potential corresponding to data read from the memory cell 11 (hereinafter also referred to as a read potential). As a function. The wiring WL functions as a word line for selecting the memory cell 11 from which data is written or read. The wiring PL functions as a power supply line, and can apply an L level potential, for example.

本明細書において、Hレベルは高電位を、Lレベルは低電位をそれぞれ示す。また、Lレベルは例えば接地電位とすることができる。 In this specification, the H level indicates a high potential, and the L level indicates a low potential. The L level can be set to, for example, a ground potential.

ここで、トランジスタ12のオフ電流を低減することで、容量素子13に書き込まれたデータの保持時間を長くすることができる。ここで、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときにソースとドレインとの間に流れる電流をいう。トランジスタがn−ch型である場合、例えば、しきい値電圧が0V乃至2V程度であれば、ゲートの電圧がソース電圧に対して負の電圧であるときのソースとドレインとの間に流れる電流をオフ電流と呼ぶことができる。また、オフ電流が極めて小さいとは、例えば、チャネル幅1μmあたりのオフ電流が100zA(ゼプトアンペア)以下であることをいう。なお、オフ電流は小さいほど好ましいため、この規格化されたオフ電流が10zA/μm以下、あるいは1zA/μm以下とすることが好ましく、10yA(ヨクトアンペア)/μm以下であることがより好ましい。1zAは1×10−21Aであり、1yAは1×10−24Aである。 Here, by reducing the off-state current of the transistor 12, the retention time of data written in the capacitor 13 can be extended. Here, off-state current refers to current that flows between a source and a drain when a transistor is off. In the case where the transistor is an n-ch type, for example, if the threshold voltage is about 0 V to 2 V, the current flowing between the source and the drain when the gate voltage is negative with respect to the source voltage Can be referred to as off-current. Also, the extremely small off-state current means that, for example, the off-current per channel width of 1 μm is 100 zA (zeptoampere) or less. Since the smaller off current is more preferable, this normalized off current is preferably 10 zA / μm or less, or 1 zA / μm or less, and more preferably 10 yA (Yoctoampere) / μm or less. 1zA is 1 × 10 −21 A and 1yA is 1 × 10 −24 A.

このようにオフ電流を極めて小さくするには、トランジスタのチャネル形成領域をバンドギャップが広い半導体で形成すればよい。そのような半導体として、例えば酸化物半導体が挙げられる。酸化物半導体のバンドギャップは3.0eV以上であるため、活性層または活性領域を酸化物半導体で形成したトランジスタ(OSトランジスタ)は熱励起によるリーク電流が小さく、また、オフ電流が極めて小さい。OSトランジスタのチャネル形成領域は、インジウム(In)および亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、In−M−Zn酸化物(元素Mは、例えばAl、Ga、Y、Nd、Sn、Ti、Zr、La、Ce、Hf、Siなど)が代表的である。電子供与体(ドナー)となる水分または水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をi型(真性半導体)にする、あるいはi型に限りなく近づけることができる。ここでは、このような酸化物半導体は高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。高純度化された酸化物半導体を適用することで、チャネル幅で規格化されたOSトランジスタのオフ電流を数yA/μm以上数zA/μm以下程度に低くすることができる。 In this manner, in order to reduce off-state current extremely, a channel formation region of a transistor may be formed using a semiconductor having a wide band gap. As such a semiconductor, for example, an oxide semiconductor can be given. Since the band gap of an oxide semiconductor is 3.0 eV or more, a transistor (an OS transistor) in which an active layer or an active region is formed using an oxide semiconductor has a small leakage current due to thermal excitation and an extremely small off-state current. The channel formation region of the OS transistor is preferably an oxide semiconductor containing at least one of indium (In) and zinc (Zn). As such an oxide semiconductor, an In-M-Zn oxide (the element M is typically Al, Ga, Y, Nd, Sn, Ti, Zr, La, Ce, Hf, Si, or the like) is typical. . By reducing impurities such as moisture or hydrogen that are electron donors (donors) and reducing oxygen vacancies, an oxide semiconductor can be i-type (intrinsic semiconductor) or can be made as close to i-type as possible. . Here, such an oxide semiconductor can be referred to as a highly purified oxide semiconductor. By using the highly purified oxide semiconductor, the off-state current of the OS transistor normalized by the channel width can be reduced to about several yA / μm to several zA / μm.

また、OSトランジスタでは、活性層または活性領域を酸化物半導体で形成したトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ)よりオフ電流特性の温度依存性が小さい。そのため、高温(例えば、100℃以上)であっても、OSトランジスタの規格化されたオフ電流を100zA以下とすることができる。よって、トランジスタ12にOSトランジスタを適用することで、高温環境下であっても容量素子13に書き込まれたデータを長時間保持することができる。したがって、高温環境下でも高い信頼性を持つ半導体装置を得ることができる。 In addition, an OS transistor has less temperature dependency of off-state current characteristics than a transistor in which an active layer or an active region is formed using an oxide semiconductor (hereinafter referred to as a Si transistor). Therefore, the normalized off-state current of the OS transistor can be set to 100 zA or less even at a high temperature (for example, 100 ° C. or higher). Therefore, by applying an OS transistor to the transistor 12, data written in the capacitor 13 can be held for a long time even in a high temperature environment. Therefore, a semiconductor device with high reliability can be obtained even in a high temperature environment.

図1(B)にセルアレイ10の構成例を示す。メモリセル11がマトリクス状に配置されることによりセルアレイ10を構成する。 FIG. 1B shows a configuration example of the cell array 10. The cell array 10 is configured by arranging the memory cells 11 in a matrix.

同一の列のメモリセル11は、1本の配線BLおよび1本の配線PLにより電気的に接続されている。同一の行のメモリセル11は、1本の配線WLにより電気的に接続されている。 The memory cells 11 in the same column are electrically connected by one wiring BL and one wiring PL. The memory cells 11 in the same row are electrically connected by one wiring WL.

図2(A)に、図1(A)に示すメモリセル11の構成例を表す上面図を示す。図2(B)に、図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図を示す。図2(C)に、図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図を示す。 FIG. 2A is a top view illustrating a configuration example of the memory cell 11 illustrated in FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. FIG. 2C illustrates a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG.

メモリセル11は、前述のように、トランジスタ12と、容量素子13と、配線BLと、配線WLと、を有する。また、メモリセル11は、絶縁体110と、導電体111と、導電体112と、絶縁体113と、半導体114と、導電体115と、導電体116と、絶縁体117と、導電体118と、絶縁体119と、絶縁体121と、を有する。また、絶縁体119と絶縁体121には導電体116に達する開口部と、導電体118に達する開口部と、が設けられており、導電体116に達する開口部の中には配線BLが、導電体118に達する開口部の中には導電体124がそれぞれ設けられている。 As described above, the memory cell 11 includes the transistor 12, the capacitor 13, the wiring BL, and the wiring WL. The memory cell 11 includes an insulator 110, a conductor 111, a conductor 112, an insulator 113, a semiconductor 114, a conductor 115, a conductor 116, an insulator 117, and a conductor 118. And an insulator 119 and an insulator 121. The insulator 119 and the insulator 121 are provided with an opening reaching the conductor 116 and an opening reaching the conductor 118. In the opening reaching the conductor 116, the wiring BL is formed. Conductors 124 are respectively provided in the openings reaching the conductor 118.

なお、導電体112には導電体を用いなくてもよい。 Note that a conductor is not necessarily used for the conductor 112.

図2(A)において、導電体111、絶縁体113、半導体114、絶縁体117、絶縁体119および絶縁体121などは図示していない。 In FIG. 2A, the conductor 111, the insulator 113, the semiconductor 114, the insulator 117, the insulator 119, the insulator 121, and the like are not illustrated.

図2(A)に示すように、導電体116は円状に設けられ、導電体116の外側に、導電体116を囲むように導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118が同心円状に設けられている。 As shown in FIG. 2A, the conductor 116 is provided in a circular shape, and the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor are provided outside the conductor 116 so as to surround the conductor 116. A body 118 is provided concentrically.

図2(B)、(C)に示すように、導電体111および導電体112は絶縁体110と接し、絶縁体113は絶縁体110、導電体111および導電体112と接し、半導体114は絶縁体113と接し、導電体115は絶縁体113および半導体114と接し、導電体116は半導体114と接し、絶縁体117は絶縁体113、半導体114、導電体115および導電体116と接し、導電体118は絶縁体117と接し、絶縁体119は絶縁体117および導電体118と接し、絶縁体121は絶縁体119と接する。なお、導電体115は導電体112と重なる領域を有し、導電体118は導電体111と重なる領域を有する。 2B and 2C, the conductor 111 and the conductor 112 are in contact with the insulator 110, the insulator 113 is in contact with the insulator 110, the conductor 111, and the conductor 112, and the semiconductor 114 is insulated. The conductor 115 is in contact with the insulator 113 and the semiconductor 114, the conductor 116 is in contact with the semiconductor 114, the insulator 117 is in contact with the insulator 113, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor 116, and the conductor 118 is in contact with the insulator 117, the insulator 119 is in contact with the insulator 117 and the conductor 118, and the insulator 121 is in contact with the insulator 119. Note that the conductor 115 has a region overlapping with the conductor 112, and the conductor 118 has a region overlapping with the conductor 111.

なお、図示しないが、図1(A)に示す配線PLは、導電体112と電気的に接続されている。また、図示しないが、導電体124と、配線WLとの間に絶縁体が設けられている。当該絶縁体には開口部が設けられており、当該開口部を介して導電体124と、配線WLと、が電気的に接続されている。 Note that although not illustrated, the wiring PL illustrated in FIG. 1A is electrically connected to the conductor 112. Although not illustrated, an insulator is provided between the conductor 124 and the wiring WL. The insulator is provided with an opening, and the conductor 124 and the wiring WL are electrically connected through the opening.

導電体111は、トランジスタ12のバックゲートとしての機能を有する。導電体112は、容量素子13の第2の電極としての機能を有する。絶縁体113は、トランジスタ12のバックゲートに対するゲート絶縁膜および容量素子13の誘電体としての機能を有する。半導体114は、トランジスタ12のチャネルとしての機能を有する。導電体115は、トランジスタ12のソースまたはドレインの一方および容量素子13の第1の電極としての機能を有する。導電体116は、トランジスタ12のソースまたはドレインの他方としての機能を有する。 The conductor 111 functions as a back gate of the transistor 12. The conductor 112 functions as a second electrode of the capacitor 13. The insulator 113 functions as a gate insulating film for the back gate of the transistor 12 and a dielectric of the capacitor 13. The semiconductor 114 functions as a channel of the transistor 12. The conductor 115 functions as one of the source and the drain of the transistor 12 and the first electrode of the capacitor 13. The conductor 116 functions as the other of the source and the drain of the transistor 12.

導電体118はトランジスタ12のゲートとしての機能を有し、絶縁体117は当該ゲートに対するゲート絶縁膜としての機能を有する。また、絶縁体119はトランジスタ12および容量素子13の保護絶縁膜としての機能を有する。 The conductor 118 has a function as a gate of the transistor 12, and the insulator 117 has a function as a gate insulating film with respect to the gate. The insulator 119 functions as a protective insulating film for the transistor 12 and the capacitor 13.

トランジスタ12にバックゲートとしての機能を有する導電体111を設けることにより、トランジスタ12のしきい値電圧の制御を行うことができる。しきい値電圧の制御を行うことによって、導電体118に印加された電位が低い、例えば印加された電位が0V以下のときに、トランジスタ12のソースとドレインとの間に流れる電流を低減することができる。つまり、トランジスタ12のオフ電流を低減することができる。 By providing the transistor 111 with the conductor 111 functioning as a back gate, the threshold voltage of the transistor 12 can be controlled. By controlling the threshold voltage, the current flowing between the source and drain of the transistor 12 is reduced when the potential applied to the conductor 118 is low, for example, when the applied potential is 0 V or less. Can do. That is, the off-state current of the transistor 12 can be reduced.

また、導電体111および導電体118の電界によって、半導体114を電気的に取り囲むことができる。なお、導電体から生じる電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。このため、半導体114の全体(上面、下面および側面)にチャネルが形成される。s−channel構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流であるオン電流を高くすることができる。 Further, the semiconductor 114 can be electrically surrounded by the electric fields of the conductor 111 and the conductor 118. Note that a transistor structure that electrically surrounds a semiconductor with an electric field generated from a conductor is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure. Therefore, a channel is formed in the entire semiconductor 114 (upper surface, lower surface, and side surface). In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and an on-current that is a current at the time of conduction can be increased.

なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体114の側面にもチャネルが形成される。したがって、半導体114が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体114が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。また、半導体114が厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため、サブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは30nm以上の厚さの領域を有する半導体114とすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、150nm以下の厚さの領域を有する半導体114とすればよい。 Note that in the case where the transistor has an s-channel structure, a channel is also formed on the side surface of the semiconductor 114. Therefore, the thicker the semiconductor 114, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor 114, the higher the on-state current of the transistor. In addition, the thicker the semiconductor 114, the higher the ratio of regions with high carrier controllability, so that the subthreshold swing value can be reduced. For example, the semiconductor 114 may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, and more preferably 30 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, for example, the semiconductor 114 having a region with a thickness of 150 nm or less may be used.

高いオン電流が得られるため、s−channel構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下の領域を有する。 Since a high on-state current can be obtained, the s-channel structure can be said to be a structure suitable for a miniaturized transistor. Since a transistor can be miniaturized, a semiconductor device including the transistor can be a highly integrated semiconductor device with high integration. For example, the transistor has a region with a channel length of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the transistor has a channel width of preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, and more. Preferably, it has a region of 20 nm or less.

また、導電体111は、所定の電位が供給される配線または端子と接続されていてもよい。例えば、導電体111が一定の電位が供給される配線と接続されていてもよい。一定の電位は、Hレベル電位やLレベル電位などとすることができる。また、導電体111は、導電体118と電気的に接続されていてもよい。 The conductor 111 may be connected to a wiring or a terminal to which a predetermined potential is supplied. For example, the conductor 111 may be connected to a wiring to which a constant potential is supplied. The constant potential can be an H level potential, an L level potential, or the like. Further, the conductor 111 may be electrically connected to the conductor 118.

本発明の一態様では、導電体112の高さを高くすることにより、容量素子13において、電荷を蓄えることができる領域の面積を増加させることができる。これにより、容量素子13の保持容量を大きくすることができる。なお、導電体112の高さは例えば絶縁体113の高さより高くすることが好ましい。また導電体112の高さは例えば100nm以上500nm以下とすることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, by increasing the height of the conductor 112, the area of the capacitor 13 in which charge can be stored can be increased. Thereby, the storage capacity of the capacitive element 13 can be increased. Note that the height of the conductor 112 is preferably higher than the height of the insulator 113, for example. Further, the height of the conductor 112 is preferably, for example, not less than 100 nm and not more than 500 nm.

本明細書において導電体112の高さとは、絶縁体110の表面から導電体112の頂点までの高さを示す。 In this specification, the height of the conductor 112 refers to the height from the surface of the insulator 110 to the apex of the conductor 112.

本発明の一態様では、トランジスタ12と、容量素子13と、を同一の層に形成することにより、導電体111と導電体112を同一の工程で形成することができる。またトランジスタ12のソースまたはドレインの一方と、容量素子13の第1の電極とを導電体115として同時に形成することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の製造工程を簡略化することができ、本発明の一態様の半導体装置を低価格化することができる。 In one embodiment of the present invention, the conductor 111 and the conductor 112 can be formed in the same step by forming the transistor 12 and the capacitor 13 in the same layer. One of the source and the drain of the transistor 12 and the first electrode of the capacitor 13 can be formed as the conductor 115 at the same time. Through the above steps, the manufacturing process of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be simplified, and the price of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be reduced.

なお、導電体111と導電体112を同一の工程で形成するため、導電体111の高さと、導電体112の高さが等しくなる。また、導電体111と導電体112は同一の材料で構成される。 Note that since the conductor 111 and the conductor 112 are formed in the same step, the height of the conductor 111 is equal to the height of the conductor 112. The conductor 111 and the conductor 112 are made of the same material.

本明細書においてXとYの高さが等しいとは、Yの高さがXの高さの90%以上110%以下であることを表す。例えば、導電体111の高さが150nmである場合、導電体112の高さが135nm以上165nm以下であれば導電体111と導電体112の高さが等しいといえる。 In this specification, the heights of X and Y being equal represent that the height of Y is 90% or more and 110% or less of the height of X. For example, in the case where the height of the conductor 111 is 150 nm, it can be said that the conductor 111 and the conductor 112 are equal in height if the height of the conductor 112 is 135 nm or more and 165 nm or less.

なお、図2に示す構成のメモリセル11は、1つの容量素子13が導電体112を1つ有する構成である。しかしながら、1つの容量素子13が導電体112を2つ以上有する構成としてもよい。1つの容量素子13が有する導電体112を増加させることにより、容量素子13の保持容量を大きくすることができる。 Note that the memory cell 11 having the structure illustrated in FIG. 2 has a structure in which one capacitor 13 has one conductor 112. However, one capacitor 13 may have two or more conductors 112. By increasing the number of conductors 112 included in one capacitor 13, the storage capacity of the capacitor 13 can be increased.

なお、図2(B)、(C)では半導体114の他、各導電体および各絶縁体が絶縁体110の上面に対して略垂直に形成されているが、例えば絶縁体110の上面に対してテーパーを有してもよい。 2B and 2C, each conductor and each insulator are formed substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 110 in addition to the semiconductor 114. And may have a taper.

図1(A)に示す配線PLは、例えば図3(A)に示すように配線BLと同じレイヤーに設けることができる。図3(B)は、図3(A)に示す上面図の一点鎖線B1−B2に対応する断面図であり、図3(C)は、図3(A)に示す上面図の一点鎖線B3−B4に対応する断面図である。当該構造のメモリセル11では、図示しないが絶縁体119に開口部が設けられ、当該開口部を介して導電体112と、配線PLと、が電気的に接続されている。 The wiring PL illustrated in FIG. 1A can be provided in the same layer as the wiring BL, for example, as illustrated in FIG. 3B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line B1-B2 in the top view in FIG. 3A, and FIG. 3C is the dashed-dotted line B3 in the top view in FIG. It is sectional drawing corresponding to -B4. In the memory cell 11 having the structure, although not shown, an opening is provided in the insulator 119, and the conductor 112 and the wiring PL are electrically connected through the opening.

なお、配線PLは、導電体111と電気的に接続されていてもよい。 Note that the wiring PL may be electrically connected to the conductor 111.

なお、配線PLは任意のレイヤーに設けることができる。例えば、配線PLを例えば導電体112を有する層より下層に設けてもよい。また、配線BLと配線PLを重ねて形成してもよい。 Note that the wiring PL can be provided in any layer. For example, the wiring PL may be provided below the layer having the conductor 112, for example. Alternatively, the wiring BL and the wiring PL may be overlapped.

図2(B)、(C)に示す構成のメモリセル11は絶縁体113を平坦化していないが、図4(A)、(B)に示すように絶縁体113を平坦化してもよい。図4(A)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図4(B)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。図4(A)、(B)に示す構成とすることにより、半導体114を平坦に作製することができる。 In the memory cell 11 having the structure shown in FIGS. 2B and 2C, the insulator 113 is not flattened. However, the insulator 113 may be flattened as shown in FIGS. 4A is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 4B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. With the structure illustrated in FIGS. 4A and 4B, the semiconductor 114 can be formed flat.

また、図4(C)、(D)に示すように、導電体111を有しない構成としてもよい。図4(C)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図4(D)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。図4(C)、(D)に示す構成とすることにより、必要な配線数を減らすことができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置を小型化することができる。 Further, as illustrated in FIGS. 4C and 4D, a structure without the conductor 111 may be employed. 4C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 4D is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. With the structure shown in FIGS. 4C and 4D, the number of necessary wirings can be reduced. Accordingly, the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be reduced in size.

また、図2(B)、(C)に示す構成のメモリセル11は導電体116の下に、導電体116と重なる導電体を有していないが、図5(A)、(B)に示すように導電体125を有する構成としてもよい。図5(A)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図5(B)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。導電体116は、導電体125と重なる領域を有する。また、図示しないが、導電体125は例えば配線BLと電気的に接続することができる。 In addition, the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 2B and 2C does not have a conductor that overlaps with the conductor 116 below the conductor 116, but the memory cell 11 illustrated in FIGS. As shown, a structure having a conductor 125 may be used. 5A is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 5B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. The conductor 116 has a region overlapping with the conductor 125. Although not shown, the conductor 125 can be electrically connected to the wiring BL, for example.

また、図2(B)、(C)に示す構成のメモリセル11が有する半導体114を、図5(C)、(D)に示すように絶縁体114a、半導体114b、絶縁体114cの3層構造としてもよい。図5(C)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図5(D)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。 In addition, as shown in FIGS. 5C and 5D, the semiconductor 114 included in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 2B and 2C includes three layers of an insulator 114a, a semiconductor 114b, and an insulator 114c. It is good also as a structure. 5C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 5D is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG.

なお、絶縁体114aおよび絶縁体114cは、単独で用いる場合、導電体、半導体または絶縁体として機能させることができる物質を用いる場合がある。しかしながら、半導体114bと積層させてトランジスタを形成する場合、電子は半導体114b、半導体114bと絶縁体114aの界面近傍、および半導体114bと絶縁体114cの界面近傍を流れ、絶縁体114aおよび絶縁体114cは当該トランジスタのチャネルとして機能しない領域を有する。このため、本明細書において、絶縁体114aおよび絶縁体114cを半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。なお、絶縁体114aおよび絶縁体114cを絶縁体と記載するのは、あくまで半導体114bと比較してトランジスタの機能上絶縁体に近い機能を有するためである。したがって、半導体114bに用いることができる物質を絶縁体114aおよび絶縁体114cとして用いる場合もある。 Note that the insulator 114a and the insulator 114c may be formed using a substance that can function as a conductor, a semiconductor, or an insulator when used alone. However, when a transistor is formed by stacking with the semiconductor 114b, electrons flow in the vicinity of the semiconductor 114b, the interface between the semiconductor 114b and the insulator 114a, and the vicinity of the interface between the semiconductor 114b and the insulator 114c, and the insulator 114a and the insulator 114c The transistor does not function as a channel of the transistor. Therefore, in this specification, the insulator 114a and the insulator 114c are not described as semiconductors but are described as insulators. Note that the insulators 114a and 114c are described as insulators only because they have a function similar to that of an insulator in terms of function of a transistor compared to the semiconductor 114b. Therefore, a substance that can be used for the semiconductor 114b may be used for the insulator 114a and the insulator 114c.

図5(C)、(D)に示す構成において、絶縁体114aは絶縁体113と接し、半導体114bは絶縁体114aと接し、導電体115は絶縁体113および半導体114bと接し、導電体116は半導体114bと接し、絶縁体114cは絶縁体113、半導体114b、導電体115および導電体116と接し、絶縁体117は絶縁体114cと接する。このような構成とすることにより、詳細は後述するが、例えばトランジスタ12のオン電流を増加させることができる。 5C and 5D, the insulator 114a is in contact with the insulator 113, the semiconductor 114b is in contact with the insulator 114a, the conductor 115 is in contact with the insulator 113 and the semiconductor 114b, and the conductor 116 is The insulator 114c is in contact with the insulator 114, the semiconductor 114b, the conductor 115, and the conductor 116, and the insulator 117 is in contact with the insulator 114c. With such a configuration, for example, the on-current of the transistor 12 can be increased, as will be described in detail later.

また、図2(B)、(C)に示す構成のメモリセル11では半導体114が導電体112と重なる領域を有しているが、図6(A)、(B)に示すように重なる領域を有していなくてもよい。図6(A)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図6(B)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。図6(A)、(B)に示す構成とすることにより、容量素子13の保持容量を大きくすることができる。 In addition, in the memory cell 11 having the structure shown in FIGS. 2B and 2C, the semiconductor 114 has a region overlapping with the conductor 112, but the overlapping region as shown in FIGS. 6A and 6B. May not be included. 6A is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 6B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. With the structure shown in FIGS. 6A and 6B, the storage capacitor of the capacitor 13 can be increased.

また、図2(B)、(C)に示す構成のメモリセル11は導電体118が絶縁体119と接する構成であるが、図6(C)、(D)に示すように導電体118と、絶縁体119と、の間に絶縁体120を設けてもよい。図6(C)は図2(A)の一点鎖線A1−A2に対応する断面図であり、図6(D)は図2(A)の一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。図6(C)、(D)に示す構成とすることにより、導電体118の酸化を抑制することができ、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。 2B and 2C has a structure in which the conductor 118 is in contact with the insulator 119. As shown in FIGS. 6C and 6D, the conductor 118 The insulator 120 may be provided between the insulator 119 and the insulator 119. 6C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 2A, and FIG. 6D is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 6C and 6D, oxidation of the conductor 118 can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be improved.

また、図2(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11は導電体115と、導電体118と、が重ならない構成としているが、図7(A)、(B)、(C)に示すように導電体115と、導電体118と、が重なる構成としてもよい。図7(B)は、図7(A)に示す上面図の一点鎖線C1−C2に対応する断面図であり、図7(C)は、図7(A)に示す上面図の一点鎖線C3−C4に対応する断面図である。 2A, 2B, and 2C have a structure in which the conductor 115 and the conductor 118 do not overlap with each other. However, the memory cell 11 illustrated in FIGS. , (C), the conductor 115 and the conductor 118 may overlap each other. 7B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line C1-C2 in the top view in FIG. 7A, and FIG. 7C is the dashed-dotted line C3 in the top view in FIG. It is sectional drawing corresponding to -C4.

図2(A)(B)(C)に示す構成では、半導体114が導電体115および導電体118のいずれとも重ならない領域が存在し、当該領域が高抵抗領域になる場合がある。一方、図7(A)(B)(C)に示す構成では、当該領域が存在しない。このため、トランジスタ12のオン電流を増加させることができる。 In the structure illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C, there is a region where the semiconductor 114 does not overlap with either the conductor 115 or the conductor 118, and the region may be a high resistance region. On the other hand, in the configuration shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, the region does not exist. Therefore, the on-state current of the transistor 12 can be increased.

また、メモリセル11は図8(A)、(B)、(C)に示す構成としてもよい。図8(A)は、図1(A)に示すメモリセル11の構成例を表す上面図である。図8(B)は、図8(A)の一点鎖線D1−D2に対応する断面図である。図8(C)は、図8(A)の一点鎖線D3−D4に対応する断面図である。 Further, the memory cell 11 may have a structure shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C. FIG. 8A is a top view illustrating a configuration example of the memory cell 11 illustrated in FIG. FIG. 8B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line D1-D2 in FIG. FIG. 8C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line D3-D4 in FIG.

図8(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11を作製する際は、半導体114と、導電体115および導電体116となる第1の導電体と、を形成後、絶縁体119を成膜する。そして、図8(B)、(C)に示すように、第1の導電体と絶縁体119に、半導体114まで達する開口部を形成する。次に、当該開口部の中に絶縁体117および導電体118を形成する。その結果、導電体118と導電体111は、絶縁体113、半導体114および絶縁体117を間に介して、互いに重畳する領域を有する。その後、絶縁体126を成膜する。 When the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 8A, 8 </ b> B, and 8 </ b> C is manufactured, after the semiconductor 114 and the first conductor to be the conductor 115 and the conductor 116 are formed, An insulator 119 is formed. Then, as shown in FIGS. 8B and 8C, an opening reaching the semiconductor 114 is formed in the first conductor and the insulator 119. Next, the insulator 117 and the conductor 118 are formed in the opening. As a result, the conductor 118 and the conductor 111 have regions that overlap with each other with the insulator 113, the semiconductor 114, and the insulator 117 interposed therebetween. After that, the insulator 126 is formed.

図8(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセルでは、導電体115および導電体116の形成と、導電体118の形成と、1回のリソグラフィーで行うことができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置の製造工程を簡略化することができ、本発明の一態様の半導体装置を低価格化することができる。 In the memory cell having the structure illustrated in FIGS. 8A, 8 </ b> B, and 8 </ b> C, the conductor 115 and the conductor 116, the conductor 118 can be formed, and lithography can be performed once. Accordingly, the manufacturing process of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be simplified, and the price of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be reduced.

また、メモリセル11は図9(A)、(B)、(C)に示す構成としてもよい。図9(A)は、図1(A)に示すメモリセル11の構成例を表す上面図である。図9(B)は、図9(A)の一点鎖線E1−E2に対応する断面図である。図9(C)は、図9(A)の一点鎖線E3−E4に対応する断面図である。 Further, the memory cell 11 may have a structure shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C. FIG. 9A is a top view illustrating a configuration example of the memory cell 11 illustrated in FIG. FIG. 9B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line E1-E2 in FIG. FIG. 9C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line E3-E4 in FIG.

図9(A)、(B)、(C)は、図2(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11から導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118の一部を除去した場合のメモリセル11の構成例である。図9(B)は前述の導電体および半導体114を除去した箇所を含む断面図であり、図9(C)は前述の導電体および半導体114を除去した箇所を含まない断面図である。 9A, 9B, and 9C illustrate the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, and the conductor 115 from the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C. 2 is a configuration example of the memory cell 11 when a part of the conductor 118 is removed. 9B is a cross-sectional view including a portion where the above-described conductor and semiconductor 114 are removed, and FIG. 9C is a cross-sectional view including a portion where the above-described conductor and semiconductor 114 are removed.

メモリセル11を図9(A)、(B)、(C)に示す構成とすることにより、配線BLと、前述した他の導電体と、が重ならない構成となるので、配線BLの寄生容量を低減することができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置の動作を高速化することができる。また、メモリセル11に保持されたデータの読み出し時のエラーを低減することができる。なお、図9(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11では、導電体116および配線BLを同じレイヤーで電気的に接続することができる。 By configuring the memory cell 11 as shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C, the wiring BL does not overlap with the above-described other conductors, so that the parasitic capacitance of the wiring BL is reduced. Can be reduced. Accordingly, the operation of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be speeded up. In addition, errors in reading data held in the memory cell 11 can be reduced. Note that in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 9A, 9 </ b> B, and 9 </ b> C, the conductor 116 and the wiring BL can be electrically connected in the same layer.

なお、図9(A)、(B)、(C)ではトランジスタ12が有する導電体および容量素子13が有する導電体の両方を除去する場合のメモリセル11の構成例を示したが、本発明の一態様はこれに限られない。例えば、容量素子13が有する導電体112および、容量素子13が有する領域の半導体114および導電体115のみを除去し、トランジスタ12が有する導電体111、導電体118および、トランジスタ12が有する領域の半導体114および導電体115を除去しない構成としてもよい。また、例えばトランジスタ12が有する導電体111、導電体118および、トランジスタ12が有する領域の半導体114および導電体115のみを除去し、容量素子13が有する導電体112および、容量素子13が有する領域の半導体114および導電体115を除去しない構成としてもよい。 9A, 9B, and 9C show examples of the structure of the memory cell 11 in the case where both the conductor of the transistor 12 and the conductor of the capacitor 13 are removed. One aspect of this is not limited to this. For example, the conductor 112 included in the capacitor 13 and the semiconductor 114 and the conductor 115 in the region included in the capacitor 13 are removed, and the conductor 111 and the conductor 118 included in the transistor 12 and the semiconductor in the region included in the transistor 12 are removed. 114 and the conductor 115 may not be removed. For example, the conductor 111 and the conductor 118 included in the transistor 12 and only the semiconductor 114 and the conductor 115 in the region included in the transistor 12 are removed, and the conductor 112 included in the capacitor 13 and the region included in the capacitor 13 are removed. The semiconductor 114 and the conductor 115 may not be removed.

また、図9(A)では導電体118と、導電体124と、配線WLと、がそれぞれ異なるレイヤーに形成されているが、導電体124が導電体112、半導体114および導電体115と重ならない構成であれば、図10(A)に示すように、導電体118と、導電体124と、配線WLと、を同じレイヤーに形成してもよい。図10(B)は図10(A)の一点鎖線E1−E2に対応する断面図であり、図10(C)は図10(A)の一点鎖線E3−E4に対応する断面図である。 In FIG. 9A, the conductor 118, the conductor 124, and the wiring WL are formed in different layers, but the conductor 124 does not overlap with the conductor 112, the semiconductor 114, and the conductor 115. In the structure, as shown in FIG. 10A, the conductor 118, the conductor 124, and the wiring WL may be formed in the same layer. 10B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line E1-E2 in FIG. 10A, and FIG. 10C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line E3-E4 in FIG.

または、導電体118および導電体124を同じレイヤーに形成し、配線WLを導電体118および導電体124と異なるレイヤーに形成してもよい。以上のような構成とすることにより、本発明の一態様の半導体装置の製造工程を簡略化することができ、本発明の一態様の半導体装置を低価格化することができる。 Alternatively, the conductor 118 and the conductor 124 may be formed in the same layer, and the wiring WL may be formed in a different layer from the conductor 118 and the conductor 124. With the above structure, the manufacturing process of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be simplified, and the price of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be reduced.

図9(A)に示す構成のメモリセル11は導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118をそれぞれ1箇所ずつ除去しているが、図11(A)に示すように2箇所ずつ除去してもよい。また、図12(A)に示すように4箇所ずつ除去してもよい。また、図13に示すように8箇所ずつ除去してもよい。また、n箇所(nは自然数)ずつ除去してもよい。 In the memory cell 11 having the structure shown in FIG. 9A, the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor 118 are removed one by one. As shown in FIG. Alternatively, two locations may be removed. Further, as shown in FIG. 12 (A), four portions may be removed. Further, as shown in FIG. 13, eight portions may be removed. Further, n points (n is a natural number) may be removed.

なお、図11(B)は、図11(A)に示す上面図の一点鎖線G1−G2に対応する断面図であり、図11(C)は、図11(A)に示す上面図の一点鎖線G4−G4に対応する断面図である。また、図12(B)は、図12(A)に示す上面図の一点鎖線H1−H2に対応する断面図であり、図12(C)は、図12(A)に示す上面図の一点鎖線H3−H4に対応する断面図である。 11B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line G1-G2 in the top view in FIG. 11A, and FIG. 11C is a point in the top view in FIG. 11A. It is sectional drawing corresponding to chain line G4-G4. 12B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line H1-H2 in the top view in FIG. 12A, and FIG. 12C is a point in the top view in FIG. It is sectional drawing corresponding to chain line H3-H4.

図11(A)に示す構成では、メモリセル11が半円状に2個形成される。また、図12(A)に示す構成では、メモリセル11が四分円状に4個形成される。また、図13に示す構成では、メモリセル11が八分円状に8個形成される。また、導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118をそれぞれn箇所ずつ除去する構成の場合、中心角が(360/n)°の扇形のメモリセル11がn個形成される。 In the structure shown in FIG. 11A, two memory cells 11 are formed in a semicircular shape. In the configuration shown in FIG. 12A, four memory cells 11 are formed in a quadrant. In the configuration shown in FIG. 13, eight memory cells 11 are formed in an octant shape. Further, in the case of removing each of the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor 118, n pieces of sector-shaped memory cells 11 having a central angle of (360 / n) ° are formed. Is done.

なお、図11乃至図13に示すメモリセル11は、1本の配線BLによってそれぞれ電気的に接続されている。また、中心角が(360/n)°の扇形のメモリセル11がn個設けられる場合、当該n個のメモリセル11は1本の配線BLによって互いに電気的に接続することができる。 Note that the memory cells 11 illustrated in FIGS. 11 to 13 are electrically connected to each other by one wiring BL. Further, when n fan-shaped memory cells 11 having a central angle of (360 / n) ° are provided, the n memory cells 11 can be electrically connected to each other by one wiring BL.

また、図11乃至図13に示すメモリセル11が有する導電体118は、互いに異なる導電体124を介して互いに異なる配線WLと電気的に接続されている。つまり、メモリセル11がn個設けられ、それらが1本の配線BLによって互いに電気的に接続されている場合、導電体124および配線WLはそれぞれn個ずつ設けられる。 In addition, the conductor 118 included in the memory cell 11 illustrated in FIGS. 11 to 13 is electrically connected to different wirings WL through different conductors 124. That is, when n memory cells 11 are provided and they are electrically connected to each other by one wiring BL, n conductors 124 and wirings WL are provided, respectively.

以上のような構成では、図2乃至図9に示すようにメモリセル11を円状に1個のみ形成する場合より、メモリセル11を面積効率よく配置することができる。つまり、メモリセル11の集積度を高めることができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置の、単位面積当たりの記憶容量を大きくすることができる。 With the above configuration, the memory cells 11 can be arranged more efficiently than the case where only one memory cell 11 is formed in a circular shape as shown in FIGS. That is, the degree of integration of the memory cell 11 can be increased. Accordingly, the storage capacity per unit area of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be increased.

なお、図11乃至図13では各メモリセル11において中心角の大きさが等しい場合を示しているが、中心角の大きさは等しくなくてもよい。 11 to 13 show the case where the central angles are equal in each memory cell 11, the central angles need not be equal.

本発明の一態様の半導体装置では、導電体124と、導電体111、導電体112および導電体115と、が重ならない構成とすることができる。図14(A)に、図13に示すような八分円状のメモリセル11が8個形成される構成において、導電体124が導電体111、導電体112および導電体115と重ならない構成とした場合のメモリセル11の上面図を示す。図14(B)に、図14(A)の一点鎖線I1−I2に対応する断面図を示す。図14(C)に、図14(A)の一点鎖線I3−I4に対応する断面図を示す。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can have a structure in which the conductor 124 does not overlap with the conductor 111, the conductor 112, and the conductor 115. FIG. 14A shows a structure in which eight octant memory cells 11 as shown in FIG. 13 are formed, in which the conductor 124 does not overlap with the conductor 111, the conductor 112, and the conductor 115. A top view of the memory cell 11 is shown. FIG. 14B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line I1-I2 in FIG. FIG. 14C is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line I3-I4 in FIG.

図14(A)、(C)に示すような構成とすることで、導電体124の寄生容量を低減することができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置の動作を高速化することができる。また、メモリセル11に保持されたデータの読み出し時のエラーを低減することができる。 With the structure shown in FIGS. 14A and 14C, the parasitic capacitance of the conductor 124 can be reduced. Accordingly, the operation of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be speeded up. In addition, errors in reading data held in the memory cell 11 can be reduced.

図2乃至図14に示す構成のメモリセル11では導電体116は円状に設けられ、導電体116の外側に、導電体116を囲むように導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118が同心円状に配置されているが、本発明の一態様はこれに限られず、メモリセル11が有する各導電体および半導体114は任意の形状とすることができる。例えば、導電体116を楕円状、四角形状またはm角形状(mは3以上の整数)に設け、導電体116の外側に、導電体116を囲むように導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118を設けてもよい。図2(A)、図3(A)、図7(A)、図8(A)、図9(A)、図10(A)、図11(A)および図12(A)に示す構成のメモリセル11について、導電体116を正方形とし、導電体116の外側に、導電体116を囲むように導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118を台形状に設けた場合のメモリセル11の上面図を図15(A)、(B)、(C)、(D)および図16(A)、(B)、(C)、(D)にそれぞれ示す。 In the memory cell 11 having the structure shown in FIGS. 2 to 14, the conductor 116 is provided in a circular shape, and the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, and the conductor are provided outside the conductor 116 so as to surround the conductor 116. 115 and the conductor 118 are concentrically arranged; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto, and each conductor and the semiconductor 114 included in the memory cell 11 can have any shape. For example, the conductor 116 is provided in an elliptical shape, a quadrangular shape, or an m-square shape (m is an integer of 3 or more), and the conductor 111, the conductor 112, and the semiconductor 114 are provided outside the conductor 116 so as to surround the conductor 116. The conductor 115 and the conductor 118 may be provided. 2 (A), FIG. 3 (A), FIG. 7 (A), FIG. 8 (A), FIG. 9 (A), FIG. 10 (A), FIG. 11 (A), and FIG. In the memory cell 11, the conductor 116 has a square shape, and the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor 118 are provided in a trapezoid shape outside the conductor 116 so as to surround the conductor 116. FIGS. 15A, 15B, 15C, and 16D and FIGS. 16A, 16B, 16C, and 16D are respectively top views of the memory cell 11 in this case.

なお、図16(D)に示す構成のメモリセル11では、正方形の対角線の交点と、を結んだ直線上の導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118を除去しているが、図16(E)に示すように、正方形の対角線上の、前述の導電体および半導体114を除去してもよい。 Note that in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIG. 16D, the conductor 111, the conductor 112, the semiconductor 114, the conductor 115, and the conductor 118 on the straight line connecting the intersections of the square diagonal lines are removed. However, as shown in FIG. 16E, the above-described conductor and semiconductor 114 on a square diagonal may be removed.

また、図13および図14(A)に示す構成のメモリセル11について、導電体116を正方形とし、導電体116の外側に、導電体116を囲むように導電体111、導電体112、半導体114、導電体115および導電体118を台形状に設けた場合のメモリセル11の上面図を図17(A)および図17(B)にそれぞれ示す。 Further, in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 13 and 14A, the conductor 116 is square, and the conductor 111, the conductor 112, and the semiconductor 114 are formed outside the conductor 116 so as to surround the conductor 116. FIGS. 17A and 17B are top views of the memory cell 11 when the conductor 115 and the conductor 118 are provided in a trapezoidal shape.

なお、図15乃至図17において、導電体111および半導体114は図示していない。 Note that the conductor 111 and the semiconductor 114 are not shown in FIGS.

図18(A)に、図2(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11が有する容量素子13の上面図の一例を示す。図18(B)に、図18(A)の一点鎖線J1−J2に対応する断面図の一例を示す。図18(A)に示すように、容量素子13が有する導電体112、絶縁体113、半導体114および導電体115は四角形状に形成することができる。 FIG. 18A illustrates an example of a top view of the capacitor 13 included in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 2A, 2B, and 2C. FIG. 18B illustrates an example of a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line J1-J2 in FIG. As shown in FIG. 18A, the conductor 112, the insulator 113, the semiconductor 114, and the conductor 115 included in the capacitor 13 can be formed in a square shape.

図18(C)に、図2(A)、(B)、(C)に示す構成のメモリセル11が有する容量素子13の上面図の別の一例を示す。図18(D)に、図18(C)の一点鎖線K1−K2に対応する断面図の一例を示す。図18(C)に示すように、容量素子13が有する導電体112、絶縁体113、半導体114および導電体115は同心円状に形成することができる。また、図18(D)に示すように、円の中心を容量素子13が有する導電体112、絶縁体113、半導体114および導電体115の最上部とした、山型の形状とすることができる。 FIG. 18C illustrates another example of a top view of the capacitor 13 included in the memory cell 11 having the structure illustrated in FIGS. 2A, 2 </ b> B, and 2 </ b> C. FIG. 18D illustrates an example of a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line K1-K2 in FIG. As shown in FIG. 18C, the conductor 112, the insulator 113, the semiconductor 114, and the conductor 115 included in the capacitor 13 can be formed concentrically. In addition, as illustrated in FIG. 18D, a mountain shape can be obtained in which the center of the circle is the top of the conductor 112, the insulator 113, the semiconductor 114, and the conductor 115 included in the capacitor 13. .

図18(A)、(C)に示す構成の容量素子13では、導電体112が導電体115に囲まれている。当該構成とすることにより、導電体112と導電体115が重なる領域の面積が大きくなり、容量素子13の保持容量を大きくすることができる。 In the capacitor 13 having the structure illustrated in FIGS. 18A and 18C, the conductor 112 is surrounded by the conductor 115. With this structure, the area of the region where the conductor 112 and the conductor 115 overlap with each other is increased, so that the storage capacitor of the capacitor 13 can be increased.

なお、図18(A)乃至図18(D)に示した容量素子13が有する各要素の形状はあくまで一例であり、容量素子13が有する各要素は機能を損なわない程度に適宜形状を変えることができる。 Note that the shape of each element included in the capacitor 13 illustrated in FIGS. 18A to 18D is merely an example, and the shape of each element included in the capacitor 13 may be changed as long as the function is not impaired. Can do.

図19(A)は、図1(A)に示す回路構成のメモリセル11にセンスアンプ31が電気的に接続された回路構成の一例である。センスアンプ31は配線BLと電気的に接続されている。センスアンプ31は、基準となる電位と読み出し電位との電位差を増幅し、増幅された電位差を保持する機能を有する。 FIG. 19A illustrates an example of a circuit configuration in which the sense amplifier 31 is electrically connected to the memory cell 11 having the circuit configuration illustrated in FIG. The sense amplifier 31 is electrically connected to the wiring BL. The sense amplifier 31 has a function of amplifying a potential difference between a reference potential and a read potential and holding the amplified potential difference.

メモリセル11は、センスアンプ31の上に積層して設けることができる。図19(B)、(C)は、センスアンプ31を含む層36と、メモリセル11を含む層16との積層構造の一例であり、層36の上部に層16が設けられた場合の断面図を示している。なお、センスアンプ31はトランジスタ35を有する。 The memory cell 11 can be stacked on the sense amplifier 31. FIGS. 19B and 19C are examples of a stacked structure of the layer 36 including the sense amplifier 31 and the layer 16 including the memory cell 11, and a cross section when the layer 16 is provided on the layer 36. The figure is shown. Note that the sense amplifier 31 includes a transistor 35.

図19(B)は、トランジスタ35のチャネル長方向および図2(B)に示すメモリセル11のA1−A2方向の断面図に対応する。図19(C)は、トランジスタ35のチャネル幅方向および図2(C)に示すメモリセル11のA3−A4方向の断面図に対応する。 FIG. 19B corresponds to a channel length direction of the transistor 35 and a cross-sectional view of the memory cell 11 in the A1-A2 direction illustrated in FIG. FIG. 19C corresponds to a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 35 and in the A3-A4 direction of the memory cell 11 illustrated in FIG.

なお、層16の上部に層36を設ける構成としてもよい。また、層16および層36を積層構造とせず、同一平面状に形成してもよい。 Note that the layer 36 may be provided above the layer 16. Further, the layer 16 and the layer 36 may be formed in the same plane without having a laminated structure.

層36は、基板130およびトランジスタ35を有し、基板130上にトランジスタ35が設けられている。また、層36は絶縁体131と、低抵抗領域132と、低抵抗領域133と、絶縁体134と、絶縁体135と、導電体136と、絶縁体137と、絶縁体140と、を有する。 The layer 36 includes a substrate 130 and a transistor 35, and the transistor 35 is provided over the substrate 130. The layer 36 includes an insulator 131, a low resistance region 132, a low resistance region 133, an insulator 134, an insulator 135, a conductor 136, an insulator 137, and an insulator 140.

基板130には複数の凸部が形成されており、複数の凸部の間の溝部(トレンチと呼ぶ場合もある。)に絶縁体131が形成されている。基板130および絶縁体131の上部に開口が形成された絶縁体137が設けられている。絶縁体137の開口の中で、基板130および絶縁体131の上に絶縁体134が形成されており、絶縁体134の上に導電体136が形成されている。また、導電体136および絶縁体137の上に絶縁体140が形成されている。 A plurality of protrusions are formed on the substrate 130, and an insulator 131 is formed in a groove (also referred to as a trench) between the plurality of protrusions. An insulator 137 having an opening formed on the substrate 130 and the insulator 131 is provided. In the opening of the insulator 137, the insulator 134 is formed on the substrate 130 and the insulator 131, and the conductor 136 is formed on the insulator 134. An insulator 140 is formed over the conductor 136 and the insulator 137.

図19(B)に示すように、基板130の凸部の少なくとも一部の上に、絶縁体137の開口が形成されており、絶縁体137の開口の内側に絶縁体135が設けられる。絶縁体135の内側に絶縁体134が設けられており、絶縁体134の内側に導電体136が設けられている。また、図19(B)に示すように、基板130の凸部において、少なくとも絶縁体135の一部と重なるように低抵抗領域133が形成され、低抵抗領域133の外側に低抵抗領域132が形成される。なお、低抵抗領域132は低抵抗領域133より抵抗が低いことが好ましい。 As shown in FIG. 19B, an opening of the insulator 137 is formed on at least a part of the convex portion of the substrate 130, and the insulator 135 is provided inside the opening of the insulator 137. An insulator 134 is provided inside the insulator 135, and a conductor 136 is provided inside the insulator 134. In addition, as illustrated in FIG. 19B, a low resistance region 133 is formed so as to overlap at least part of the insulator 135 in the convex portion of the substrate 130, and the low resistance region 132 is formed outside the low resistance region 133. It is formed. Note that the low resistance region 132 preferably has a lower resistance than the low resistance region 133.

絶縁体131は素子分離領域としての機能を有する。低抵抗領域132はトランジスタ35のソースまたはドレインとしての機能を有する。低抵抗領域133はトランジスタ35のLDD(Lightly Doped Drain)領域としての機能を有する。絶縁体134はトランジスタ35のゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁体135はトランジスタ35のサイドウォール絶縁膜としての機能を有する。導電体136はトランジスタ35のゲート電極としての機能を有する。絶縁体140は層16と、層36との層間絶縁膜としての機能を有する。 The insulator 131 functions as an element isolation region. The low resistance region 132 functions as the source or drain of the transistor 35. The low resistance region 133 functions as an LDD (Lightly Doped Drain) region of the transistor 35. The insulator 134 functions as a gate insulating film of the transistor 35. The insulator 135 functions as a sidewall insulating film of the transistor 35. The conductor 136 has a function as a gate electrode of the transistor 35. The insulator 140 functions as an interlayer insulating film between the layer 16 and the layer 36.

また、基板130の凸部において、導電体136と重なり、かつ低抵抗領域133の間に位置する領域は、トランジスタ35のチャネル形成領域としての機能を有する。 In addition, a region of the convex portion of the substrate 130 that overlaps with the conductor 136 and is located between the low-resistance regions 133 functions as a channel formation region of the transistor 35.

トランジスタ35では、チャネル形成領域における凸部の側部および上部と、導電体136とが絶縁体134を間に挟んで重なることで、チャネル形成領域の側部と上部を含めた広い範囲においてキャリアが流れる。そのため、トランジスタ35の基板上における占有面積を小さく抑えつつ、トランジスタ35において移動するキャリアの量を増加させることができる。その結果、トランジスタ35は、オン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高められる。特に、チャネル形成領域における凸部のチャネル幅方向の長さ(チャネル幅)をW、チャネル形成領域における凸部の高さをTとすると、チャネル幅Wに対する凸部の高さTの比(T/W)に相当するアスペクト比が高い場合、キャリアが流れる範囲はより広くなるため、トランジスタ35のオン電流をより大きくすることができ、電界効果移動度もより高められる。例えば、バルクの基板130を用いたトランジスタ35の場合、アスペクト比は0.5以上であることが望ましく、1以上であることがより望ましい。 In the transistor 35, the side and upper portions of the protrusions in the channel formation region overlap with the conductor 136 with the insulator 134 interposed therebetween, so that carriers are generated in a wide range including the side and upper portions of the channel formation region. Flowing. Therefore, the amount of carriers that move in the transistor 35 can be increased while keeping the occupied area of the transistor 35 on the substrate small. As a result, the transistor 35 has an increased on-current and increased field effect mobility. In particular, when the length in the channel width direction (channel width) of the convex portion in the channel forming region is W and the height of the convex portion in the channel forming region is T, the ratio of the convex portion height T to the channel width W (T When the aspect ratio corresponding to / W) is high, the carrier flows in a wider range, so that the on-state current of the transistor 35 can be increased and the field-effect mobility can be further increased. For example, in the case of the transistor 35 using the bulk substrate 130, the aspect ratio is preferably 0.5 or more, and more preferably 1 or more.

図19(B)、(C)に示すトランジスタは、トレンチ分離法(STI法:Shallow Trench Isolation)を用いて素子分離した例を示しているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。 The transistors illustrated in FIGS. 19B and 19C illustrate an example in which element isolation is performed using a trench isolation method (STI method); however, the semiconductor device described in this embodiment is not limited to this. It is not something that can be done.

また、図19(B)、(C)では、層36にトランジスタ35を1つ設ける例を示しているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。基板130に設けるトランジスタの構成および個数は、センスアンプ31の構成に合わせて適宜設定すればよい。 19B and 19C illustrate an example in which one transistor 35 is provided in the layer 36, the semiconductor device described in this embodiment is not limited thereto. The configuration and number of transistors provided on the substrate 130 may be set as appropriate in accordance with the configuration of the sense amplifier 31.

また、図19(B)、(C)では絶縁体140は単層構造であるが、複数の絶縁体を積層した構造としてもよい。また、絶縁体140には導電体などが設けられていてもよい。例えば、配線BLと、トランジスタ35のソースまたはドレインの一方と、を電気的に接続する機能を有する導電体などが設けられていてもよい。 19B and 19C, the insulator 140 has a single-layer structure; however, a structure in which a plurality of insulators are stacked may be used. The insulator 140 may be provided with a conductor. For example, a conductor having a function of electrically connecting the wiring BL and one of the source and the drain of the transistor 35 may be provided.

層16は絶縁体140の上面と接する絶縁体141および、絶縁体141の上面と接する絶縁体142を有し、絶縁体142の上部にメモリセル11を含む層を有する。 The layer 16 includes an insulator 141 in contact with the upper surface of the insulator 140 and an insulator 142 in contact with the upper surface of the insulator 141. The layer 16 includes a layer including the memory cell 11 on the insulator 142.

なお、絶縁体142より上部の構成は図19(B)では図2(B)と同様とし、図19(C)では図2(C)と同様としたが、絶縁体142より上部の構成は本明細書に記載した任意の構成とすることができる。 Note that the structure above the insulator 142 is similar to that in FIG. 2B in FIG. 19B and similar to FIG. 2C in FIG. 19C, but the structure above the insulator 142 is Any configuration described herein may be employed.

絶縁体141および絶縁体142には開口部が設けられており、当該開口部には配線PLが設けられている。 The insulator 141 and the insulator 142 are provided with openings, and wirings PL are provided in the openings.

導電体146は、導電体111と電気的に接続されている。導電体146は、導電体111の電位を制御する機能を有する。 The conductor 146 is electrically connected to the conductor 111. The conductor 146 has a function of controlling the potential of the conductor 111.

なお、図19(B)、(C)に示した積層構成はあくまで一例であり、メモリセル11およびセンスアンプ31の機能を果たせるのであれば任意の構成とすることができる。例えば、トランジスタ35のチャネル幅方向を、図2(B)に示すメモリセル11のA1−A2方向と平行とし、トランジスタ35のチャネル長方向を図2(C)に示すメモリセル11のA3−A4方向と平行としてもよい。また、例えば配線PLがA3−A4方向と平行に形成してもよいし、例えば導電体146がA1−A2方向と平行に形成されていてもよい。 Note that the stacked configuration illustrated in FIGS. 19B and 19C is merely an example, and any configuration can be employed as long as the functions of the memory cell 11 and the sense amplifier 31 can be performed. For example, the channel width direction of the transistor 35 is parallel to the A1-A2 direction of the memory cell 11 illustrated in FIG. 2B, and the channel length direction of the transistor 35 is A3-A4 of the memory cell 11 illustrated in FIG. It may be parallel to the direction. Further, for example, the wiring PL may be formed in parallel with the A3-A4 direction, and for example, the conductor 146 may be formed in parallel with the A1-A2 direction.

また、図19(B)では配線BLをトランジスタ12および容量素子13の上部に設ける構成としているが、図20(B)に示すように配線BLを層36と、トランジスタ12および容量素子13との間に設ける構成としてもよい。図20(A)は図19(A)と同様に、図1(A)に示す回路構成のメモリセル11にセンスアンプ31が電気的に接続された回路構成の一例である。図20(B)は図19(B)と同様に、トランジスタ35のチャネル長方向および図2(B)に示すメモリセル11のA1−A2方向の断面図に対応する。図20(C)は図19(C)と同様に、トランジスタ35のチャネル幅方向および図2(C)に示すメモリセル11のA3−A4方向の断面図に対応する。 In FIG. 19B, the wiring BL is provided over the transistor 12 and the capacitor 13. However, as illustrated in FIG. 20B, the wiring BL is formed between the layer 36, the transistor 12, and the capacitor 13. It is good also as a structure provided in between. FIG. 20A shows an example of a circuit configuration in which a sense amplifier 31 is electrically connected to the memory cell 11 having the circuit configuration shown in FIG. 20B corresponds to a channel length direction of the transistor 35 and a cross-sectional view of the memory cell 11 in the A1-A2 direction illustrated in FIG. 2B, similarly to FIG. 19B. 20C corresponds to the channel width direction of the transistor 35 and the cross-sectional view of the memory cell 11 in the A3-A4 direction illustrated in FIG. 2C, similarly to FIG. 19C.

図20(B)、(C)に示す構成では、絶縁体140の上部に接する絶縁体144と、絶縁体144の上部に接する絶縁体145と、が設けられる。絶縁体144、絶縁体145、絶縁体141、絶縁体142、絶縁体113および半導体114には導電体116に達する開口部が設けられ、当該開口部の中に配線BLが設けられる。 20B and 20C, an insulator 144 that is in contact with the upper portion of the insulator 140 and an insulator 145 that is in contact with the upper portion of the insulator 144 are provided. An opening reaching the conductor 116 is provided in the insulator 144, the insulator 145, the insulator 141, the insulator 142, the insulator 113, and the semiconductor 114, and the wiring BL is provided in the opening.

図20(B)に示す構成とすることにより、配線BLと、導電体118とを十分に離すことができる。したがって、配線BLに発生する寄生容量を低減することができる。これにより、本発明の一態様の半導体装置の動作を高速化することができる。また、メモリセル11に保持されたデータの読み出し時のエラーを低減することができる。 With the structure illustrated in FIG. 20B, the wiring BL and the conductor 118 can be sufficiently separated. Accordingly, parasitic capacitance generated in the wiring BL can be reduced. Accordingly, the operation of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be speeded up. In addition, errors in reading data held in the memory cell 11 can be reduced.

本発明の一態様の半導体装置は、図21(A)に示す構成のメモリセルにおいても適用することができる。図21(A)に示すメモリセル51は、トランジスタ52と、容量素子53と、トランジスタ55と、を有する。 The semiconductor device of one embodiment of the present invention can also be applied to the memory cell having the structure illustrated in FIG. A memory cell 51 illustrated in FIG. 21A includes a transistor 52, a capacitor 53, and a transistor 55.

トランジスタ52のソースまたはドレインの一方は、容量素子53の第1の電極およびトランジスタ55のゲートと電気的に接続されている。トランジスタ52のソースまたはドレインの他方は、配線WBLと電気的に接続されている。トランジスタ52のゲートは、配線WL1と電気的に接続されている。容量素子53の第2の電極は、配線WPLと電気的に接続されている。トランジスタ55のソースまたはドレインの一方は、配線RBLと電気的に接続されている。トランジスタ55のソースまたはドレインの他方は、配線RPLと電気的に接続されている。 One of the source and the drain of the transistor 52 is electrically connected to the first electrode of the capacitor 53 and the gate of the transistor 55. The other of the source and the drain of the transistor 52 is electrically connected to the wiring WBL. A gate of the transistor 52 is electrically connected to the wiring WL1. The second electrode of the capacitor 53 is electrically connected to the wiring WPL. One of a source and a drain of the transistor 55 is electrically connected to the wiring RBL. The other of the source and the drain of the transistor 55 is electrically connected to the wiring RPL.

トランジスタ52は、容量素子53へのデータの書き込みを制御する機能を有する。容量素子53は、データを保持する機能を有する。 The transistor 52 has a function of controlling data writing to the capacitor 53. The capacitor 53 has a function of holding data.

配線WBLは、書き込み電位を伝送する、書き込み用ビット線としての機能を有する。配線RBLは、読み出し電位を伝送する、読み出し用ビット線としての機能を有する。配線WPLおよび配線RPLは電源線としての機能を有する。 The wiring WBL functions as a writing bit line for transmitting a writing potential. The wiring RBL functions as a read bit line that transmits a read potential. The wiring WPL and the wiring RPL have a function as power supply lines.

トランジスタ52および容量素子53は、図19(A)、(B)、(C)に示すトランジスタ12および容量素子13と同様の構成とすることができる。また、トランジスタ55は、図19(A)、(B)、(C)に示すトランジスタ35と同様の構成とすることができる。 The transistor 52 and the capacitor 53 can have structures similar to those of the transistor 12 and the capacitor 13 illustrated in FIGS. 19A, 19B, and 19C. The transistor 55 can have a structure similar to that of the transistor 35 illustrated in FIGS. 19A, 19B, and 19C.

トランジスタ55と、トランジスタ52および容量素子53と、は積層して設けることができる。図19(B)、(C)は、トランジスタ55を含む層56と、トランジスタ52および容量素子53を含む層57との積層構造の一例であり、層56の上部に層57が設けられた場合の断面図を示している。 The transistor 55, the transistor 52, and the capacitor 53 can be stacked. 19B and 19C illustrate an example of a stacked structure of the layer 56 including the transistor 55 and the layer 57 including the transistor 52 and the capacitor 53, and the layer 57 is provided over the layer 56. FIG.

層56が有する絶縁体150は層36が有する絶縁体140に対応する。また、図21(B)、(C)に示す層57は図19(B)、(C)に示す層16に対応する。層57が有する絶縁体151、絶縁体152、絶縁体153、絶縁体157、絶縁体159および絶縁体161は、層16が有する絶縁体141、絶縁体142、絶縁体113、絶縁体117、絶縁体119および絶縁体121にそれぞれ対応する。 The insulator 150 included in the layer 56 corresponds to the insulator 140 included in the layer 36. Further, the layer 57 shown in FIGS. 21B and 21C corresponds to the layer 16 shown in FIGS. 19B and 19C. The insulator 151, the insulator 152, the insulator 153, the insulator 157, the insulator 159, and the insulator 161 included in the layer 57 are the insulator 141, the insulator 142, the insulator 113, the insulator 117, and the insulator included in the layer 16. It corresponds to the body 119 and the insulator 121, respectively.

絶縁体150、絶縁体151、絶縁体152、絶縁体153、絶縁体157、絶縁体159および絶縁体161には開口部が設けられており、当該開口部には導電体170が設けられている。導電体170により、トランジスタ52のソースまたはドレインの一方および容量素子53の第1の電極と、トランジスタ55のゲートと、が電気的に接続されている。 The insulator 150, the insulator 151, the insulator 152, the insulator 153, the insulator 157, the insulator 159, and the insulator 161 are provided with openings, and the conductor 170 is provided in the openings. . One of the source and the drain of the transistor 52 and the first electrode of the capacitor 53 are electrically connected to the gate of the transistor 55 by the conductor 170.

図2乃至図21に示す構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。 The configurations shown in FIGS. 2 to 21 can be arbitrarily combined.

<基板>
以下では、基板130について説明する。
<Board>
Hereinafter, the substrate 130 will be described.

基板130としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの半導体基板などを用いればよい。好ましくは、基板130として単結晶シリコン基板を用いる。また、基板130として、基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などを用いてもよい。 As the substrate 130, for example, a single semiconductor substrate such as silicon or germanium, or a semiconductor substrate such as silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide may be used. Preferably, a single crystal silicon substrate is used as the substrate 130. Further, as the substrate 130, a semiconductor substrate having an insulator region inside the substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate may be used.

基板130は、例えば、p型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、基板130として、n型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。または、基板130がi型であっても構わない。 As the substrate 130, for example, a semiconductor substrate having an impurity imparting p-type conductivity is used. Note that a semiconductor substrate having an impurity imparting n-type conductivity may be used as the substrate 130. Alternatively, the substrate 130 may be i-type.

また、基板130に設けられる低抵抗領域132は、リンやヒ素などのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素やアルミニウムなどのp型の導電性を付与する元素を含むことが好ましい。また同様に、低抵抗領域133も、リンやヒ素などのn型の導電性を付与する元素、またはホウ素やアルミニウムなどのp型の導電性を付与する元素を含むことが好ましい。ただし、低抵抗領域133はLDDとして機能することが好ましいので、低抵抗領域133に含まれる導電性を付与する元素の濃度は、低抵抗領域132に含まれる導電性を付与する元素の濃度より低いことが好ましい。なお、低抵抗領域132はシリサイドなどを用いて形成してもよい。 The low resistance region 132 provided in the substrate 130 preferably contains an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or arsenic or an element imparting p-type conductivity such as boron or aluminum. Similarly, the low resistance region 133 preferably includes an element imparting n-type conductivity such as phosphorus or arsenic, or an element imparting p-type conductivity such as boron or aluminum. However, since the low resistance region 133 preferably functions as an LDD, the concentration of the element imparting conductivity included in the low resistance region 133 is lower than the concentration of the element imparting conductivity included in the low resistance region 132. It is preferable. Note that the low resistance region 132 may be formed using silicide or the like.

<導電体および配線>
以下では、本発明の一態様の半導体装置の構成要素である導電体および配線について説明する。
<Conductor and wiring>
Hereinafter, a conductor and a wiring which are components of the semiconductor device of one embodiment of the present invention are described.

導電体111、導電体112、導電体115、導電体116、導電体118、導電体124、配線BL、配線WLおよび配線PLとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。例えば、窒素タンタルを用いてもよい。 Examples of the conductor 111, the conductor 112, the conductor 115, the conductor 116, the conductor 118, the conductor 124, the wiring BL, the wiring WL, and the wiring PL include boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, and aluminum. Conductors containing one or more of titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, silver, indium, tin, tantalum and tungsten are used in a single layer or in a stacked layer That's fine. For example, it may be an alloy or a compound, a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, a conductor containing titanium and nitrogen Etc. may be used. For example, tantalum nitrogen may be used.

導電体136としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造で導電体136を形成してもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。 As the conductor 136, it is preferable to use a metal selected from tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, chromium, niobium, or the like, or an alloy material or a compound material containing these metals as a main component. Alternatively, polycrystalline silicon to which an impurity such as phosphorus is added can be used. Alternatively, the conductor 136 may be formed using a stacked structure of a metal nitride film and the above metal film. As the metal nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride can be used. By providing the metal nitride film, the adhesion of the metal film can be improved and peeling can be prevented.

<絶縁体>
以下では、本発明の一態様の半導体装置の構成要素である絶縁体について説明する。
<Insulator>
The insulator that is a component of the semiconductor device of one embodiment of the present invention is described below.

絶縁体113、絶縁体117および絶縁体119としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体113、絶縁体117および絶縁体119としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。 Examples of the insulator 113, the insulator 117, and the insulator 119 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, An insulator containing hafnium or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. For example, the insulator 113, the insulator 117, and the insulator 119 include aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, and lanthanum oxide. Neodymium oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide may be used.

また、絶縁体113および絶縁体117は、過剰酸素を有する絶縁体としてもよい。このような絶縁体113および絶縁体117を設けることにより、絶縁体113および絶縁体117から半導体114に酸素を供給することができる。 The insulator 113 and the insulator 117 may be insulators having excess oxygen. By providing the insulator 113 and the insulator 117 as described above, oxygen can be supplied from the insulator 113 and the insulator 117 to the semiconductor 114.

なお、本明細書などにおいて、過剰酸素とは、例えば、化学量論的組成を超えて含まれる酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで当該過剰酸素が含まれる膜または層から放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動することができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合や、膜や層を構成する酸素と置き換わりながら玉突き的に移動する場合などがある。 Note that in this specification and the like, excess oxygen refers to oxygen contained in excess of the stoichiometric composition, for example. Alternatively, excess oxygen refers to oxygen released from a film or layer containing the excess oxygen by heating, for example. Excess oxygen can move, for example, inside a film or layer. Excess oxygen may be moved between atoms of a film or layer, or may be moved in a rushing manner while replacing oxygen constituting the film or layer.

過剰酸素を有する絶縁体113は、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量が1.0×1014molecules/cm以上1.0×1016molecules/cm以下、より好ましくは、1.0×1015molecules/cm以上5.0×1015molecules/cm以下となる。 The insulator 113 having excess oxygen has a desorption amount of oxygen molecules in a surface temperature range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower or 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower by temperature programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis). Is 1.0 × 10 14 molecules / cm 2 or more and 1.0 × 10 16 molecules / cm 2 or less, more preferably 1.0 × 10 15 molecules / cm 2 or more and 5.0 × 10 15 molecules / cm 2 or less. It becomes.

TDS分析を用いた分子の放出量の測定方法について、酸素の放出量を例として、以下に説明する。 A method for measuring the amount of released molecules using TDS analysis will be described below using the amount of released oxygen as an example.

測定試料をTDS分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。 The total amount of gas released when the measurement sample is subjected to TDS analysis is proportional to the integrated value of the ionic strength of the released gas. The total amount of gas released can be calculated by comparison with a standard sample.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のTDS分析結果、および測定試料のTDS分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量(NO2)は、下に示す式で求めることができる。ここで、TDS分析で得られる質量電荷比32で検出されるガスの全てが酸素分子由来と仮定する。CHOHの質量電荷比は32であるが、存在する可能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の酸素原子および質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率が極微量であるため考慮しない。 For example, from the TDS analysis result of a silicon substrate containing a predetermined density of hydrogen, which is a standard sample, and the TDS analysis result of the measurement sample, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the measurement sample is obtained by the following formula: Can do. Here, it is assumed that all the gases detected by the mass-to-charge ratio 32 obtained by TDS analysis are derived from oxygen molecules. The mass to charge ratio of CH 3 OH is 32 but is not considered here as it is unlikely to exist. In addition, oxygen molecules containing oxygen atoms with a mass number of 17 and oxygen atoms with a mass number of 18 which are isotopes of oxygen atoms are not considered because the existence ratio in nature is extremely small.

O2=NH2/SH2×SO2×α N O2 = N H2 / S H2 × S O2 × α

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、NH2/SH2とする。SO2は、測定試料をTDS分析したときのイオン強度の積分値である。αは、TDS分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に関しては、特開平6−275697公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試料として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。 N H2 is a value obtained by converting hydrogen molecules desorbed from the standard sample by density. SH2 is an integral value of ion intensity when the standard sample is subjected to TDS analysis. Here, the reference value of the standard sample is N H2 / SH 2 . S O2 is an integrated value of ion intensity when the measurement sample is subjected to TDS analysis. α is a coefficient that affects the ionic strength in the TDS analysis. For details of the above formula, refer to JP-A-6-275697. The amount of released oxygen is measured using a temperature-programmed desorption analyzer EMD-WA1000S / W manufactured by Electronic Science Co., Ltd. and using a silicon substrate containing a certain amount of hydrogen atoms as a standard sample.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量についても見積もることができる。 In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. Note that since the above α includes the ionization rate of oxygen molecules, the amount of released oxygen atoms can be estimated by evaluating the amount of released oxygen molecules.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。 Note that N 2 O 2 is the amount of released oxygen molecules. The amount of release when converted to oxygen atoms is twice the amount of release of oxygen molecules.

または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、5×1017spins/cm以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法(ESR:Electron Spin Resonance)にて、g値が2.01近傍に非対称の信号を有することもある。 Alternatively, the insulator from which oxygen is released by heat treatment may contain a peroxide radical. Specifically, it means that the spin density resulting from the peroxide radical is 5 × 10 17 spins / cm 3 or more. Note that an insulator containing a peroxide radical may have an asymmetric signal with a g value near 2.01 by an electron spin resonance (ESR) method.

絶縁体120、絶縁体121、絶縁体137、絶縁体140、絶縁体141、絶縁体142、絶縁体144および絶縁体145としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of the insulator 120, the insulator 121, the insulator 137, the insulator 140, the insulator 141, the insulator 142, the insulator 144, and the insulator 145 include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, An insulator containing silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer.

また、絶縁体119、絶縁体120、絶縁体121、絶縁体140、絶縁体141、絶縁体142、絶縁体144および絶縁体145の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ12より下層に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ12の電気特性を安定にすることができる。 One or more of the insulator 119, the insulator 120, the insulator 121, the insulator 140, the insulator 141, the insulator 142, the insulator 144, and the insulator 145 have a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen. It is preferable to have an insulator. By disposing an insulator having a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen below the transistor 12, electrical characteristics of the transistor 12 can be stabilized.

水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of the insulator having a function of blocking impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium, and lanthanum. An insulator containing neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer.

絶縁体134および絶縁体135は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、ハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi(x>0、y>0、z>0))、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0、z>0))、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムなどのhigh−k材料を用いてもよい。 The insulator 134 and the insulator 135 include, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, An insulator including one or more selected from neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and the like can be used. Further, hafnium silicate (HfSi x O y (x> 0, y> 0)), hafnium silicate added with nitrogen (HfSi x O y N z (x> 0, y> 0, z> 0)), nitrogen There added, hafnium aluminate (HfAl x O y N z ( x> 0, y> 0, z> 0)), may be used a high-k material such as hafnium oxide or yttrium oxide.

<半導体>
以下では、本発明に係る半導体について説明する。
<Semiconductor>
Hereinafter, the semiconductor according to the present invention will be described.

半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. Further, one kind or plural kinds selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.

ここで、半導体が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, a case where the semiconductor includes indium, the element M, and zinc is considered. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.

まず、図22(A)、図22(B)、および図22(C)を用いて、本発明に係る半導体が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図22には、酸素の原子数比については記載しない。また、半導体が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 First, a preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the semiconductor of the present invention will be described with reference to FIGS. 22A, 22B, and 22C. Note that FIG. 22 does not describe the atomic ratio of oxygen. The terms of the atomic ratio of indium, element M, and zinc of the semiconductor are [In], [M], and [Zn].

図22(A)、図22(B)、および図22(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。 In FIGS. 22A, 22B, and 22C, a broken line indicates an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line that satisfies (−1 ≦ α ≦ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): line that has an atomic ratio of 2 [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): a line having an atomic ratio of 3; [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): number of atoms of 4 A line to be a ratio and a line to have an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1−α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、及び[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラインを表す。 A one-dot chain line is a line having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: β (β ≧ 0), [In]: [M]: [Zn] = 1: 2: A line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: A line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 4: Line with an atomic ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 2: 1: Line with an atomic ratio of β, and [In]: [M]: [Zn] = 5 : Represents a line with an atomic ratio of 1: β.

また、二点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+γ):2:(1−γ)の原子数比(−1≦γ≦1)となるラインを表す。また、図22に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比またはその近傍値の半導体は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。 A two-dot chain line represents a line having an atomic ratio (−1 ≦ γ ≦ 1) of [In]: [M]: [Zn] = (1 + γ): 2: (1-γ). In addition, a semiconductor with an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1 shown in FIG. 22 or a value close thereto tends to have a spinel crystal structure.

図22(A)および図22(B)では、本発明の一態様の半導体が有する、インジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 22A and 22B illustrate an example of a preferable range of the atomic ratio of indium, the element M, and zinc included in the semiconductor of one embodiment of the present invention.

一例として、図23に、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1である、InMZnOの結晶構造を示す。また、図23は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZnOの結晶構造である。なお、図23に示すM、Zn、酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)における金属元素は、元素Mまたは亜鉛を表している。この場合、元素Mと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。 As an example, FIG. 23 shows a crystal structure of InMZnO 4 in which [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 1. FIG. 23 shows a crystal structure of InMZnO 4 when observed from a direction parallel to the b-axis. Note that a metal element in a layer containing M, Zn, and oxygen (hereinafter referred to as an (M, Zn) layer) illustrated in FIG. 23 represents the element M or zinc. In this case, the ratio of the element M and zinc shall be equal. The element M and zinc can be substituted and the arrangement is irregular.

InMZnOは、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、図23に示すように、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)が1に対し、元素M、亜鉛、および酸素を有する(M,Zn)層が2となる。 InMZnO 4 has a layered crystal structure (also referred to as a layered structure). As shown in FIG. 23, a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) contains 1 element M, zinc, and oxygen. The (M, Zn) layer having 2 is 2.

また、インジウムと元素Mは、互いに置換可能である。そのため、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換し、(In,M,Zn)層と表すこともできる。その場合、In層が1に対し、(In,M,Zn)層が2である層状構造をとる。 Indium and element M can be substituted for each other. Therefore, the element M in the (M, Zn) layer can be replaced with indium and expressed as an (In, M, Zn) layer. In that case, a layered structure in which the In layer is 1 and the (In, M, Zn) layer is 2 is employed.

[In]:[M]:[Zn]=1:1:2となる原子数比の半導体は、In層が1に対し、(M,Zn)層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対し[Zn]が大きくなると、半導体が結晶化した場合、In層に対する(M,Zn)層の割合が増加する。 A semiconductor having an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 2 has a layered structure in which the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is 3. That is, when [Zn] increases with respect to [In] and [M], when the semiconductor is crystallized, the ratio of the (M, Zn) layer to the In layer increases.

ただし、半導体中において、In層が1に対し、(M,Zn)層が非整数である場合、In層が1に対し、(M,Zn)層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、In層が1に対し、(M,Zn)層が2である層状構造と、(M,Zn)層が3である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。 However, in the semiconductor, when the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is a non-integer, the In layer is 1 and the (M, Zn) layer has an integer number of layers. There is. For example, when [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 1.5, a layered structure in which the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is 2, and (M, Zn) ) There may be a layered structure in which a layered structure having three layers is mixed.

例えば、半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。 For example, when a semiconductor is formed using a sputtering apparatus, a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target is formed. In particular, depending on the substrate temperature during film formation, [Zn] of the film may be smaller than [Zn] of the target.

また、半導体中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[M]:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。半導体中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が形成される場合がある。 In addition, a plurality of phases may coexist in a semiconductor (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, at an atomic ratio which is a value close to the atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel crystal structure and a layered crystal structure coexist. Cheap. In addition, when the atomic ratio is a value close to the atomic ratio indicating [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, the biphasic crystal structure and the layered crystal structure have two phases. Easy to coexist. In the case where a plurality of phases coexist in a semiconductor, grain boundaries (also referred to as grain boundaries) may be formed between different crystal structures.

また、インジウムの含有率を高くすることで、半導体のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。これは、インジウム、元素M及び亜鉛を有する半導体では、主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、s軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い半導体はインジウムの含有率が低い半導体と比較してキャリア移動度が高くなるためである。 In addition, by increasing the indium content, the carrier mobility (electron mobility) of the semiconductor can be increased. This is because, in a semiconductor containing indium, element M and zinc, the s orbital of heavy metal mainly contributes to carrier conduction, and by increasing the indium content, the region where the s orbital overlaps becomes larger. This is because a semiconductor with a high content ratio of carrier has higher carrier mobility than a semiconductor with a low content ratio of indium.

一方、半導体中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比(例えば図22(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。 On the other hand, when the content of indium and zinc in the semiconductor is lowered, the carrier mobility is lowered. Therefore, in the atomic number ratio indicating [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and the atomic number ratio which is the vicinity thereof (for example, the region C shown in FIG. 22C), the insulating property Becomes higher.

従って、本発明の一態様の半導体は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図22(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。 Therefore, it is preferable that the semiconductor of one embodiment of the present invention have an atomic ratio shown in a region A in FIG. 22A that has a high carrier mobility and a low-boundary grain structure.

また、図22(B)に示す領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する半導体は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた半導体である。 A region B shown in FIG. 22B shows [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1 and its neighborhood values. The neighborhood value includes, for example, an atomic ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. A semiconductor having an atomic ratio indicated by the region B is an excellent semiconductor having high crystallinity and high carrier mobility.

なお、半導体が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、半導体が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 Note that the conditions under which a semiconductor forms a layered structure are not uniquely determined by the atomic ratio. Depending on the atomic ratio, there is a difference in difficulty for forming a layered structure. On the other hand, even if the atomic ratio is the same, there may be a layered structure or a layered structure depending on the formation conditions. Therefore, the region shown in the figure is a region showing the atomic ratio in which the semiconductor has a layered structure, and the boundaries between the regions A to C are not strict.

続いて、上記半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。 Next, a case where the semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記半導体をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that by using the semiconductor for a transistor, carrier scattering and the like at grain boundaries can be reduced; thus, a transistor with high field-effect mobility can be realized. In addition, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い半導体を用いることが好ましい。例えば、半導体は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 For the transistor, a semiconductor with low carrier density is preferably used. For example, the semiconductor has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / cm 3. That is all.

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 Note that a semiconductor with high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic has few carrier generation sources, so that the carrier density can be lowered. In addition, since a semiconductor having high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic has a low defect level density, the trap level density may be low.

また、半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失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、トラップ準位密度の高い半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the semiconductor trap level takes a long time to disappear and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in a semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the semiconductor. In order to reduce the impurity concentration in the semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.

ここで、半導体中における各不純物の影響について説明する。 Here, the influence of each impurity in the semiconductor will be described.

半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、半導体において欠陥準位が形成される。このため、半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 If a semiconductor contains silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, a defect level is formed in the semiconductor. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the semiconductor (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS)) is 2 × 10 18 atoms. / Cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when an alkali metal or alkaline earth metal is contained in a semiconductor, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor including a semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. For this reason, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the semiconductor. Specifically, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in a semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In addition, when nitrogen is contained in a semiconductor, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the semiconductor is likely to be n-type. As a result, a transistor using a semiconductor containing nitrogen as a semiconductor is likely to be normally on. Therefore, in the semiconductor, nitrogen is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 in SIMS. Hereinafter, it is more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, and further preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, since hydrogen contained in the semiconductor reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, oxygen vacancies may be formed in some cases. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including a semiconductor containing hydrogen is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, in a semiconductor, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3. More preferably, it is less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using a semiconductor in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be given.

続いて、該半導体を2層構造、または3層構造とした場合について述べる。半導体S1、半導体S2、および半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、半導体S2および半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図24を用いて説明する。 Subsequently, a case where the semiconductor has a two-layer structure or a three-layer structure will be described. A band diagram of the insulator in contact with the stacked structure of the semiconductor S1, the semiconductor S2, and the semiconductor S3 and a band diagram of the insulator in contact with the stacked structure of the semiconductor S2 and the semiconductor S3 will be described with reference to FIGS.

図24(A)は、絶縁体I1、半導体S1、半導体S2、半導体S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図24(B)は、絶縁体I1、半導体S2、半導体S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体I1、半導体S1、半導体S2、半導体S3、及び絶縁体I2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。 FIG. 24A is an example of a band diagram in the film thickness direction of a stacked structure including the insulator I1, the semiconductor S1, the semiconductor S2, the semiconductor S3, and the insulator I2. FIG. 24B is an example of a band diagram in the film thickness direction of the stacked structure including the insulator I1, the semiconductor S2, the semiconductor S3, and the insulator I2. Note that the band diagram shows the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the insulator I1, the semiconductor S1, the semiconductor S2, the semiconductor S3, and the insulator I2 for easy understanding.

半導体S1、半導体S3は、半導体S2よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、半導体S2の伝導帯下端のエネルギー準位と、半導体S1、半導体S3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。すなわち、半導体S1、半導体S3の電子親和力と、半導体S2の電子親和力との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。 The semiconductor S1 and the semiconductor S3 have energy levels at the lower end of the conduction band closer to the vacuum level than the semiconductor S2. The difference from the energy level at the lower end is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the semiconductor S1 and the semiconductor S3 and the electron affinity of the semiconductor S2 is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less.

図24(A)、および図24(B)に示すように、半導体S1、半導体S2、半導体S3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を有するためには、半導体S1と半導体S2との界面、または半導体S2と半導体S3との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 As shown in FIGS. 24A and 24B, in the semiconductor S1, the semiconductor S2, and the semiconductor S3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined. In order to have such a band diagram, the defect state density of the mixed layer formed at the interface between the semiconductor S1 and the semiconductor S2 or the interface between the semiconductor S2 and the semiconductor S3 is preferably low.

具体的には、半導体S1と半導体S2、半導体S2と半導体S3が、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、半導体S2がIn−Ga−Zn半導体の場合、半導体S1、半導体S3として、In−Ga−Zn半導体、Ga−Zn半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the semiconductor S1 and the semiconductor S2, and the semiconductor S2 and the semiconductor S3 have a common element (main component) in addition to oxygen, so that a mixed layer with a low density of defect states can be formed. For example, in the case where the semiconductor S2 is an In—Ga—Zn semiconductor, an In—Ga—Zn semiconductor, a Ga—Zn semiconductor, gallium oxide, or the like may be used as the semiconductor S1 and the semiconductor S3.

このとき、キャリアの主たる経路は半導体S2となる。半導体S1と半導体S2との界面、および半導体S2と半導体S3との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。 At this time, the main path of carriers is the semiconductor S2. Since the defect level density at the interface between the semiconductor S1 and the semiconductor S2 and the interface between the semiconductor S2 and the semiconductor S3 can be reduced, the influence on the carrier conduction due to interface scattering is small, and a high on-current can be obtained.

トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。半導体S1、半導体S3を設けることにより、トラップ準位を半導体S2より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。 When electrons are trapped in the trap level, the trapped electrons behave like fixed charges, so that the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. By providing the semiconductor S1 and the semiconductor S3, the trap level can be moved away from the semiconductor S2. With this structure, the threshold voltage of the transistor can be prevented from shifting in the positive direction.

半導体S1、半導体S3は、半導体S2と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、半導体S2、半導体S2と半導体S1との界面、および半導体S2と半導体S3との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、半導体S1、半導体S3には、図22(C)において、絶縁性が高くなる領域Cで示す原子数比の半導体を用いればよい。なお、図22(C)に示す領域Cは、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、またはその近傍値である原子数比を示している。 The semiconductor S1 and the semiconductor S3 are made of a material having sufficiently low conductivity as compared with the semiconductor S2. At this time, the semiconductor S2, the interface between the semiconductor S2 and the semiconductor S1, and the interface between the semiconductor S2 and the semiconductor S3 mainly function as a channel region. For example, as the semiconductor S1 and the semiconductor S3, a semiconductor having an atomic ratio indicated by the region C in which the insulating property is increased in FIG. Note that a region C illustrated in FIG. 22C illustrates [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 or an atomic ratio that is a value in the vicinity thereof.

特に、半導体S2に領域Aで示される原子数比の半導体を用いる場合、半導体S1および半導体S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以上である半導体を用いることが好ましい。また、半導体S3として、十分に高い絶縁性を得ることができる[M]/([Zn]+[In])が1以上である半導体を用いることが好適である。 In particular, when a semiconductor having an atomic ratio indicated by the region A is used for the semiconductor S2, it is preferable to use a semiconductor having [M] / [In] of 1 or more, preferably 2 or more for the semiconductor S1 and the semiconductor S3. . In addition, as the semiconductor S3, it is preferable to use a semiconductor having [M] / ([Zn] + [In]) of 1 or more that can obtain sufficiently high insulation.

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

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。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 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. Further, “substantially parallel” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° to 30 °. “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. Further, “substantially vertical” means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° to 120 °.

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.

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。 An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single-crystal oxide semiconductor. As the non-single-crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS (c-axis-aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor) : Amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。 From another point of view, oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。 Amorphous structures are generally isotropic, have no heterogeneous structure, are metastable, have no fixed atomic arrangement, have a flexible bond angle, have short-range order, but long-range order It is said that it does not have.

即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。 That is, a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. In addition, an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. On the other hand, an a-like OS is not isotropic but has an unstable structure having a void (also referred to as a void). In terms of being unstable, a-like OS is physically close to an amorphous oxide semiconductor.

<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
<CAAC-OS>
First, the CAAC-OS will be described.

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。 A CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図25(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。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では、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、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、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。 A case where the CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) is described. For example, when CAAC-OS having an InGaZnO 4 crystal classified into the space group R-3m is subjected to structural analysis by an out-of-plane method, a diffraction angle (2θ) as illustrated in FIG. Shows a peak near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has a c-axis orientation, and the plane on which the c-axis forms a CAAC-OS film (formation target) It can also be confirmed that it faces a direction substantially perpendicular to the upper surface. In addition to the peak where 2θ is around 31 °, a peak may also appear when 2θ is around 36 °. The peak where 2θ is around 36 ° is attributed to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, the CAAC-OS preferably does not show the peak.

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図25(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図25(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。 On the other hand, when structural analysis is performed on the CAAC-OS by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction parallel to a formation surface, a peak appears at 2θ of around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Even if 2θ is fixed at around 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), as shown in FIG. No peak appears. On the other hand, when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 ° with respect to single crystal InGaZnO 4 , six peaks attributed to a crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. Is done. Therefore, structural analysis using XRD can confirm that the CAAC-OS has irregular orientations in the a-axis and the b-axis.

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図25(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図25(E)に示す。図25(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図25(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図25(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, a CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS including an InGaZnO 4 crystal in parallel with a formation surface of the CAAC-OS, a diffraction pattern (restricted field of view) illustrated in FIG. Sometimes referred to as an electron diffraction pattern). This diffraction pattern includes spots caused by the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, electron diffraction shows that the pellets included in the CAAC-OS have c-axis alignment, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. On the other hand, FIG. 25E shows a diffraction pattern obtained when an electron beam with a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample in a direction perpendicular to the sample surface. A ring-shaped diffraction pattern is confirmed from FIG. Therefore, it can be seen that the a-axis and the b-axis of the pellet included in the CAAC-OS have no orientation even by electron diffraction using an electron beam with a probe diameter of 300 nm. Note that the first ring in FIG. 25E is considered to originate from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 25E is considered to be due to the (110) plane or the like.

また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 In addition, when a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright field image and a diffraction pattern of a CAAC-OS is observed with a transmission electron microscope (TEM), a plurality of pellets are confirmed. Can do. On the other hand, even in a high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) may not be clearly confirmed. Therefore, it can be said that the CAAC-OS does not easily lower the electron mobility due to the crystal grain boundary.

図26(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって観察することができる。 FIG. 26A illustrates a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS which is observed from a direction substantially parallel to the sample surface. For observation of the high-resolution TEM image, a spherical aberration correction function was used. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly referred to as a Cs-corrected high-resolution TEM image. The Cs-corrected high resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図26(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの膜を被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。 FIG. 26A shows a pellet which is a region where metal atoms are arranged in a layered manner. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, the pellet can also be referred to as a nanocrystal (nc). In addition, the CAAC-OS can be referred to as an oxide semiconductor including CANC (C-Axis aligned nanocrystals). The pellet reflects the unevenness of the surface or top surface of the CAAC-OS film, and is parallel to the surface or top surface of the CAAC-OS.

また、図26(B)および図26(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図26(D)および図26(E)は、それぞれ図26(B)および図26(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図26(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。 FIGS. 26B and 26C illustrate Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface. FIGS. 26D and 26E are images obtained by performing image processing on FIGS. 26B and 26C, respectively. Hereinafter, an image processing method will be described. First, an FFT image is acquired by performing Fast Fourier Transform (FFT) processing on FIG. Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the FFT-processed mask image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an image-processed image. The image acquired in this way is called an FFT filtered image. The FFT filtered image is an image obtained by extracting periodic components from the Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a lattice arrangement.

図26(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。 In FIG. 26 (D), the portion where the lattice arrangement is disturbed is indicated by a broken line. A region surrounded by a broken line is one pellet. And the location shown with the broken line is the connection part of a pellet and a pellet. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. In addition, the shape of a pellet is not necessarily a regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.

図26(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 In FIG. 26E, a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned is indicated by a dotted line, and the change in the orientation of the lattice arrangement is shown. It is indicated by a broken line. A clear crystal grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. By connecting the surrounding lattice points around the lattice points in the vicinity of the dotted line, a distorted hexagon, pentagon, and / or heptagon can be formed. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Conceivable.

以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)と称することもできる。 As described above, the CAAC-OS has a c-axis alignment and a crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction to have a strain. Therefore, the CAAC-OS can also be referred to as a CAA crystal (c-axis-aligned ab-plane-anchored crystal).

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。 The CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies).

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。 Note that the impurity means an element other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. For example, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and decreases crystallinity.

<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
<Nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.

nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。 A case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS by an out-of-plane method, a peak indicating orientation does not appear. That is, the nc-OS crystal has no orientation.

また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図27(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図27(B)に示す。図27(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。 For example, when an nc-OS including an InGaZnO 4 crystal is thinned and an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident on a region with a thickness of 34 nm in parallel with the formation surface, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 27B shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) obtained when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 27B, a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, nc-OS does not confirm order when an electron beam with a probe diameter of 50 nm is incident, but confirms order when an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident.

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図27(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。 Further, when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on a region having a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagonal shape is observed as shown in FIG. There is a case. Therefore, it can be seen that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. Note that there are some regions where a regular electron diffraction pattern is not observed because the crystal faces in various directions.

図27(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。 FIG. 27D illustrates a Cs-corrected high-resolution TEM image of a cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the formation surface. The nc-OS has a region in which a crystal part can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region in which a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. A crystal part included in the nc-OS has a size of 1 nm to 10 nm, particularly a size of 1 nm to 3 nm in many cases. Note that an oxide semiconductor in which the size of a crystal part is greater than 10 nm and less than or equal to 100 nm is sometimes referred to as a microcrystalline oxide semiconductor. For example, the nc-OS may not be able to clearly confirm a crystal grain boundary in a high-resolution TEM image. Note that the nanocrystal may have the same origin as the pellet in the CAAC-OS. Therefore, the crystal part of nc-OS is sometimes referred to as a pellet below.

このように、nc−OS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は、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 Thus, the nc-OS has a periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.

なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 Note that since the crystal orientation is not regular between pellets (nanocrystals), nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned Nanocrystals), or an oxide having NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called a semiconductor.

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

<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
<A-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.

図28に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図28(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図28(B)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図28(A)および図28(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。 FIG. 28 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 28A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 28B is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e ) of 4.3 × 10 8 e / nm 2 . From FIG. 28A and FIG. 28B, it can be seen that a stripe-like bright region extending in the vertical direction is observed in the a-like OS from the start of electron irradiation. It can also be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright region is assumed to be a void or a low density region.

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。 Since it has a void, the a-like OS has an unstable structure. Hereinafter, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with the CAAC-OS and the nc-OS, changes in the structure due to electron irradiation are shown.

試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS are prepared. Each sample is an In—Ga—Zn oxide.

まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。 First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. Each sample has a crystal part by a high-resolution cross-sectional TEM image.

なお、InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnOの結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 Note that a unit cell of an InGaZnO 4 crystal has a structure in which three In—O layers and six Ga—Zn—O layers have a total of nine layers stacked in the c-axis direction. Are known. The spacing between these adjacent layers is about the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, in the following, a portion where the interval between lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less is regarded as an InGaZnO 4 crystal part. Note that the lattice fringes correspond to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal.

図29は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図29より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図29より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e)の累積照射量が4.2×10/nmにおいては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図29より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域の直径を230nmとした。 FIG. 29 is an example in which the average size of the crystal parts (22 to 30 locations) of each sample was investigated. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 29, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger in accordance with the cumulative irradiation amount of electrons related to acquisition of a TEM image or the like. According to FIG. 29, the accumulated irradiation dose of electrons (e ) is 4.2 × 10 8 e / nm in the crystal part (also referred to as initial nucleus) which was about 1.2 nm in the initial stage of observation by TEM. In FIG. 2 , it can be seen that the crystal has grown to a size of about 1.9 nm. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range of the cumulative electron dose from the start of electron irradiation to 4.2 × 10 8 e / nm 2. I understand. FIG. 29 shows that the crystal part sizes of the nc-OS and the CAAC-OS are approximately 1.3 nm and 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative electron dose. Note that a Hitachi transmission electron microscope H-9000NAR was used for electron beam irradiation and TEM observation. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7 × 10 5 e / (nm 2 · s), and an irradiation region diameter of 230 nm.

このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。 As described above, in the a-like OS, a crystal part may be grown by electron irradiation. On the other hand, in the nc-OS and the CAAC-OS, the crystal part is hardly grown by electron irradiation. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure compared to the nc-OS and the CAAC-OS.

また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満である。単結晶の密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。 In addition, since it has a void, the a-like OS has a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition. Further, the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of the single crystal having the same composition. An oxide semiconductor having a density of less than 78% of the single crystal is difficult to form.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmである。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OSの密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満である。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満である。 For example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Thus, for example, in an oxide semiconductor that satisfies In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. . For example, in the oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS is 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g / less than cm 3 .

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。 Note that when single crystals having the same composition do not exist, it is possible to estimate a density corresponding to a single crystal having a desired composition by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably estimated by combining as few kinds of single crystals as possible.

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 As described above, oxide semiconductors have various structures and various properties. Note that the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS, for example.

<酸化物半導体のキャリア密度>
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
<Carrier density of oxide semiconductor>
Next, the carrier density of the oxide semiconductor is described below.

酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損(Vo)、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。 As a factor that affects the carrier density of an oxide semiconductor, oxygen vacancies (Vo) in the oxide semiconductor, impurities in the oxide semiconductor, and the like can be given.

酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合(この状態をVoHともいう)した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。 When the number of oxygen vacancies in the oxide semiconductor increases, the density of defect states increases when hydrogen is bonded to the oxygen vacancies (this state is also referred to as VoH). Alternatively, when the number of impurities in the oxide semiconductor increases, the density of defect states increases due to the impurities. Therefore, the carrier density of an oxide semiconductor can be controlled by controlling the density of defect states in the oxide semiconductor.

ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。 Here, a transistor using an oxide semiconductor for a channel region is considered.

トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、8×1015cm−3未満、好ましくは1×1011cm−3未満、さらに好ましくは1×1010cm−3未満であり、1×10−9cm−3以上とすればよい。 In the case where the object is to suppress a negative shift in the threshold voltage of the transistor or to reduce the off-state current of the transistor, it is preferable to reduce the carrier density of the oxide semiconductor. In the case of reducing the carrier density of an oxide semiconductor, the impurity concentration in the oxide semiconductor may be reduced and the defect state density may be reduced. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. The carrier density of the high-purity intrinsic oxide semiconductor is less than 8 × 10 15 cm −3 , preferably less than 1 × 10 11 cm −3 , more preferably less than 1 × 10 10 cm −3 , and 1 × 10 What is necessary is just to be -9 cm <-3 > or more.

一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのId−Vg特性のオン/オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子(キャリア)の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。 On the other hand, for the purpose of improving the on-state current of the transistor or improving the field-effect mobility of the transistor, it is preferable to increase the carrier density of the oxide semiconductor. In the case of increasing the carrier density of an oxide semiconductor, the impurity concentration of the oxide semiconductor may be slightly increased or the defect state density of the oxide semiconductor may be slightly increased. Alternatively, the band gap of the oxide semiconductor is preferably made smaller. For example, an oxide semiconductor with a slightly high impurity concentration or a slightly high defect state density can be regarded as intrinsic in the range where the on / off ratio of the Id-Vg characteristics of the transistor can be obtained. In addition, an oxide semiconductor having a high electron affinity and a reduced band gap and, as a result, an increased density of thermally excited electrons (carriers) can be regarded as substantially intrinsic. Note that in the case where an oxide semiconductor having higher electron affinity is used, the threshold voltage of the transistor becomes lower.

上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにn型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Slightly−n」と呼称してもよい。 The oxide semiconductor whose carrier density is increased is slightly n-type. Therefore, an oxide semiconductor with an increased carrier density may be referred to as “Slightly-n”.

実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、1×10cm−3以上1×1018cm−3未満が好ましく、1×10cm−3以上1×1017cm−3以下がより好ましく、1×10cm−3以上5×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1010cm−3以上1×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1011cm−3以上1×1015cm−3以下がさらに好ましい。 The carrier density of the substantially intrinsic oxide semiconductor is preferably 1 × 10 5 cm −3 or more and less than 1 × 10 18 cm −3, more preferably 1 × 10 7 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less. Preferably, 1 × 10 9 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less are more preferable, 1 × 10 10 cm −3 or more and 1 × 10 16 cm −3 or less are more preferable, and 1 × 10 11 cm −3 or more. 1 × 10 15 cm −3 or less is more preferable.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成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 the structures described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、図2(B)に示す構成のトランジスタ12および容量素子13の作製方法の一例について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a method for manufacturing the transistor 12 and the capacitor 13 having the structure illustrated in FIG. 2B will be described with reference to drawings.

まず、絶縁体110の上に導電体111および導電体112となる導電体211を成膜する(図30(A))。導電体211としては、実施の形態1に示した導電体111および導電体112などに用いることができる導電体を用いればよい。導電体211の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法または原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。 First, the conductor 111 and the conductor 211 to be the conductor 112 are formed over the insulator 110 (FIG. 30A). As the conductor 211, a conductor that can be used for the conductor 111, the conductor 112, and the like described in Embodiment 1 may be used. The conductor 211 is formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulsed laser deposition (PLD: Pulsed Laser Deposition) method, or an atomic layer. It can be performed using an ALD (Atomic Layer Deposition) method or the like.

なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。 The CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, a photo CVD (Photo CVD) method using light, and the like. . Further, it can be classified into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method depending on the source gas used.

PECVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、TCVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いないTCVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、TCVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 The PECVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. The TCVD method is a film formation method that can reduce plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (a transistor, a capacitor, or the like) included in the semiconductor device may be charged up by receiving electric charge from plasma. At this time, a wiring, an electrode, an element, or the like included in the semiconductor device may be destroyed by the accumulated charge. On the other hand, in the case of a TCVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. Further, in the TCVD method, plasma damage during film formation does not occur, so that a film with few defects can be obtained.

また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。 The ALD method is also a film forming method that can reduce plasma damage to an object to be processed. In addition, since the ALD method does not cause plasma damage during film formation, a film with few defects can be obtained.

CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。またこれにより、成膜した膜にピンホールなどが形成れにくくなる。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。 The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed, unlike a film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and thus is suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. This also makes it difficult to form pinholes or the like in the formed film. However, since the ALD method has a relatively low film formation rate, it may be preferable to use it in combination with another film formation method such as a CVD method with a high film formation rate.

CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。 In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow rate ratio of the source gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow rate ratio of the source gas, the time required for film formation can be shortened by the time required for conveyance and pressure adjustment compared to the case where film formation is performed using a plurality of film formation chambers. it can. Therefore, the productivity of the semiconductor device may be increased.

次に、導電体211上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体111および導電体112を形成する(図30(B))。なお、単にレジストを形成するという場合、レジストの下に反射防止層を形成する場合も含まれる。 Next, a resist or the like is formed over the conductor 211 and processed using the resist, so that the conductor 111 and the conductor 112 are formed (FIG. 30B). Note that the case of simply forming a resist includes the case of forming an antireflection layer under the resist.

レジストは、対象物をエッチングなどによって加工した後で除去する。レジストの除去には、プラズマ処理または/およびウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理としては、プラズマアッシングが好適である。レジストなどの除去が不十分な場合、0.001volume%以上1volume%以下の濃度のフッ化水素酸または/およびオゾン水などによって取り残したレジストなどを除去してもよい。 The resist is removed after the object is processed by etching or the like. For the removal of the resist, plasma treatment and / or wet etching is used. Note that plasma ashing is preferable as the plasma treatment. If the removal of the resist or the like is insufficient, the remaining resist or the like may be removed with hydrofluoric acid having a concentration of 0.001 volume% or more and 1 volume% or less and / or ozone water.

次に、絶縁体113を成膜する(図30(C))。絶縁体113としては実施の形態1に示した絶縁体113に用いることができる絶縁体も用いればよい。絶縁体113の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。また、絶縁体113中に含まれる水、または水素を低減するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。 Next, the insulator 113 is formed (FIG. 30C). As the insulator 113, an insulator that can be used for the insulator 113 described in Embodiment 1 may be used. The insulator 113 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Alternatively, film formation may be performed while heating the substrate in order to reduce water or hydrogen contained in the insulator 113.

また、絶縁体113の成膜後に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体113中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶縁体113が過剰酸素を有するようにすることができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。RTA装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。 Further, heat treatment is preferably performed after the insulator 113 is formed. By performing the heat treatment, water or hydrogen in the insulator 113 can be further reduced. In some cases, the insulator 113 can contain excess oxygen. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 450 ° C to 600 ° C, more preferably 520 ° C to 570 ° C. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. By heat treatment, impurities such as hydrogen and water can be removed. For the heat treatment, an RTA apparatus using lamp heating can also be used. The heat treatment by the RTA apparatus is effective for improving productivity because it takes a shorter time than a furnace.

次に、半導体114となる半導体を成膜する。半導体114となる半導体としては実施の形態1に示した半導体に用いることができる半導体を用いればよい。半導体114となる半導体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。また、半導体114となる半導体の成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ましい。 Next, a semiconductor to be the semiconductor 114 is formed. As the semiconductor to be the semiconductor 114, a semiconductor that can be used for the semiconductor described in Embodiment 1 may be used. A semiconductor to be the semiconductor 114 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Further, it is preferable that the semiconductor to be the semiconductor 114 be formed while the substrate is heated.

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、半導体114の水素濃度を低減させることができる場合がある。また、半導体114の酸素欠損を低減させることができる場合がある。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、半導体114の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によるRTA装置を用いることもできる。RTA装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。半導体114として実施の形態1で示したCAAC−OSを用いる場合、加熱処理を行うことで、ピーク強度が高くなり、半値全幅が小さくなる。即ち、加熱処理によってCAAC−OSの結晶性が高くなる。 Next, it is preferable to perform a heat treatment. By performing the heat treatment, the hydrogen concentration of the semiconductor 114 may be reduced. In some cases, oxygen vacancies in the semiconductor 114 can be reduced. The heat treatment may be performed at 250 ° C to 650 ° C, preferably 450 ° C to 600 ° C, more preferably 520 ° C to 570 ° C. The heat treatment is performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an oxidizing gas at 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more. The heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, the heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. By the heat treatment, the crystallinity of the semiconductor 114 can be increased, impurities such as hydrogen and water can be removed, and the like. For the heat treatment, an RTA apparatus using lamp heating can also be used. The heat treatment by the RTA apparatus is effective for improving productivity because it takes a shorter time than a furnace. In the case where the CAAC-OS described in Embodiment 1 is used as the semiconductor 114, the peak intensity is increased and the full width at half maximum is decreased by performing heat treatment. That is, the crystallinity of the CAAC-OS is increased by heat treatment.

当該加熱処理により、半導体114となる半導体に、絶縁体113から酸素を供給することができる。絶縁体113に対して加熱処理を行うことにより、極めて容易に酸素を半導体114となる半導体に供給することができる。 Through the heat treatment, oxygen can be supplied from the insulator 113 to the semiconductor to be the semiconductor 114. By performing heat treatment on the insulator 113, oxygen can be supplied to the semiconductor to be the semiconductor 114 very easily.

このように半導体114となる半導体に酸素を供給し、酸素欠損を低減させることにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体とすることができる。 In this manner, by supplying oxygen to the semiconductor to be the semiconductor 114 and reducing oxygen vacancies, a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor with a low density of defect states can be obtained.

また、高密度プラズマ処理などを行ってもよい。高密度プラズマは、マイクロ波を用いて生成すればよい。高密度プラズマ処理では、例えば、酸素、亜酸化窒素などの酸化性ガスを用いればよい。または、酸化性ガスと、He、Ar、Kr、Xeなどの希ガスと、の混合ガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理において、基板にバイアスを印加してもよい。これにより、プラズマ中の酸素イオンなどを基板側に引き込むことができる。高密度プラズマ処理は基板を加熱しながら行ってもよい。例えば、上記加熱処理の代わりに高密度プラズマ処理を行う場合、上記加熱処理の温度より低温で同様の効果を得ることができる。高密度プラズマ処理は、絶縁体113の成膜前に行ってもよいし、半導体114の形成後に行ってもよいし、後述する絶縁体119の形成後などに行ってもよい。 Further, high-density plasma treatment or the like may be performed. The high density plasma may be generated using microwaves. In the high-density plasma treatment, for example, an oxidizing gas such as oxygen or nitrous oxide may be used. Alternatively, a mixed gas of an oxidizing gas and a rare gas such as He, Ar, Kr, or Xe may be used. In high-density plasma processing, a bias may be applied to the substrate. Thereby, oxygen ions or the like in the plasma can be drawn to the substrate side. The high density plasma treatment may be performed while heating the substrate. For example, when high-density plasma treatment is performed instead of the heat treatment, the same effect can be obtained at a temperature lower than the temperature of the heat treatment. The high density plasma treatment may be performed before the insulator 113 is formed, may be performed after the semiconductor 114 is formed, or may be performed after an insulator 119 described later is formed.

次に、半導体114となる半導体の上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、半導体114を形成する(図30(D))。 Next, a resist or the like is formed over the semiconductor to be the semiconductor 114 and processed using the resist, so that the semiconductor 114 is formed (FIG. 30D).

次に、導電体115および導電体116となる導電体215を成膜する(図31(A))。導電体215としては実施の形態1に示した導電体115および導電体116として用いることができる導電体を用いればよい。導電体215の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, the conductor 115 and the conductor 215 to be the conductor 116 are formed (FIG. 31A). As the conductor 215, a conductor that can be used as the conductor 115 and the conductor 116 described in Embodiment 1 may be used. The conductor 215 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、導電体215の上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体115および導電体116を形成する(図31(B))。 Next, a resist or the like is formed over the conductor 215 and processed using the resist, so that the conductor 115 and the conductor 116 are formed (FIG. 31B).

次に、絶縁体117を成膜する(図31(C))。絶縁体117としては実施の形態1に示した絶縁体117として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体117の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, an insulator 117 is formed (FIG. 31C). As the insulator 117, an insulator that can be used as the insulator 117 described in Embodiment 1 may be used. The insulator 117 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、導電体118となる導電体218を成膜する(図31(D))。導電体218としては実施の形態1に示した導電体118として用いることができる導電体を用いればよい。導電体218の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体117の成膜と、導電体218の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。 Next, a conductor 218 to be the conductor 118 is formed (FIG. 31D). As the conductor 218, a conductor that can be used as the conductor 118 described in Embodiment 1 may be used. The conductor 218 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Note that the formation of the insulator 117 and the conductor 218 are continuously performed without being exposed to the air, whereby contamination of impurities into the film and at the interface can be reduced.

次に、導電体218の上にレジストなどを形成し、該レジストを用いて加工し、導電体118を形成する(図32(A))。 Next, a resist or the like is formed over the conductor 218 and processed using the resist, so that the conductor 118 is formed (FIG. 32A).

次に、絶縁体119を成膜する。その後、絶縁体120を成膜する(図32(B))。絶縁体119および絶縁体120としては実施の形態1に示した絶縁体119および絶縁体120として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体119および絶縁体120の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, an insulator 119 is formed. After that, the insulator 120 is formed (FIG. 32B). As the insulator 119 and the insulator 120, an insulator that can be used as the insulator 119 and the insulator 120 described in Embodiment 1 may be used. The insulator 119 and the insulator 120 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

次に、絶縁体120上にレジストなどを形成し、絶縁体120、絶縁体119および絶縁体117に開口を形成する。その後、当該開口を埋め込むように配線BLとなる導電体を成膜する(図32(C))。配線BLとなる導電体としては、実施の形態1で示した配線BLとして用いることができる導電体を用いればよい。配線BLとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。 Next, a resist or the like is formed over the insulator 120, and openings are formed in the insulator 120, the insulator 119, and the insulator 117. After that, a conductor to be the wiring BL is formed so as to fill the opening (FIG. 32C). As a conductor to be the wiring BL, a conductor that can be used as the wiring BL described in Embodiment 1 may be used. The conductor to be the wiring BL can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

以上の工程により、図2(B)に示す半導体装置を作製することができる。 Through the above process, the semiconductor device illustrated in FIG. 2B can be manufactured.

なお、以上の作製工程において、複数回熱処理を行ったが、これらの熱処理を後の工程に進むほど低温で行うことで、後の工程で行う熱処理による不純物の熱拡散などの影響を低減することができる。 Note that heat treatment was performed a plurality of times in the above manufacturing steps, but these heat treatments are performed at a lower temperature as the subsequent steps are performed, thereby reducing the influence of thermal diffusion of impurities due to the heat treatment performed in the later steps. Can do.

本実施の形態に示す半導体装置において、銅などの低抵抗材料を用いて配線等を作製する場合は、高温の熱処理で銅など低融点の金属が融解するおそれがあるので、各工程の熱処理温度を400℃乃至450℃程度に抑えておくことが好ましい。このように、配線抵抗を低くすることで信号の伝達速度を向上させることができる。よって、本実施の形態に示す半導体装置を、キャッシュメモリとして機能する記憶装置(例えば、CPUチップの組み込みDRAMと同等の機能を有する記憶装置)などに用いることができる。 In the semiconductor device described in this embodiment, when a wiring or the like is formed using a low-resistance material such as copper, a metal having a low melting point such as copper may be melted by high-temperature heat treatment. Is preferably suppressed to about 400 ° C. to 450 ° C. Thus, the signal transmission speed can be improved by reducing the wiring resistance. Thus, the semiconductor device described in this embodiment can be used for a memory device functioning as a cache memory (for example, a memory device having a function equivalent to that of a built-in DRAM of a CPU chip).

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成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 the structures described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、センスアンプ31について図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, the sense amplifier 31 will be described in detail with reference to the drawings.

<記憶回路の構成例>
図33に、図19に示すメモリセル11およびセンスアンプ31を利用した記憶回路40の構成例を示す。記憶回路40は、セルアレイ10に設けられた複数のメモリセル11aおよびメモリセル11bと、センスアンプ回路30に設けられた複数のセンスアンプ31を有する。また、図33の記憶回路40の上面図を図34に示す。ここで、メモリセル11aおよびメモリセル11bは、メモリセル11と同様の構成とすることができる。
<Configuration example of memory circuit>
FIG. 33 shows a configuration example of the memory circuit 40 using the memory cell 11 and the sense amplifier 31 shown in FIG. The memory circuit 40 includes a plurality of memory cells 11 a and 11 b provided in the cell array 10 and a plurality of sense amplifiers 31 provided in the sense amplifier circuit 30. A top view of the memory circuit 40 in FIG. 33 is shown in FIG. Here, the memory cell 11 a and the memory cell 11 b can have the same configuration as the memory cell 11.

メモリセル11aは、配線WLaおよび配線BLaと接続されている。配線WLaに供給される電位によってメモリセル11aの選択が行われ、配線BLaに書き込み電位が供給されることにより、メモリセル11aにデータが書き込まれる。また、メモリセル11bも同様に、配線WLbおよび配線BLbと接続されている。 The memory cell 11a is connected to the wiring WLa and the wiring BLa. The memory cell 11a is selected by the potential supplied to the wiring WLa, and data is written to the memory cell 11a by supplying the writing potential to the wiring BLa. Similarly, the memory cell 11b is connected to the wiring WLb and the wiring BLb.

センスアンプ回路30は複数のセンスアンプ31を有し、配線BLa、配線BLb、配線GBLaおよび配線GBLbと接続されている。ここでは、1個のセンスアンプ31が1本の配線BLaおよび1本の配線BLbと接続された構成例を示す。また、センスアンプ31は配線GBLaおよび配線GBLbと接続されている。 The sense amplifier circuit 30 includes a plurality of sense amplifiers 31 and is connected to the wiring BLa, the wiring BLb, the wiring GBLa, and the wiring GBLb. Here, a configuration example is shown in which one sense amplifier 31 is connected to one wiring BLa and one wiring BLb. The sense amplifier 31 is connected to the wiring GBLa and the wiring GBLb.

センスアンプ回路30は、入力された信号を増幅する機能と、増幅された信号の出力を制御する機能を有する。具体的には、読み出し電位を増幅し、所定のタイミングで配線GBLaまたは配線GBLbに出力する機能を有する。センスアンプ回路30によって読み出し電位を増幅することにより、メモリセル11aまたはメモリセル11bから読み出された電位が微弱な場合にも、データの読み出しを確実に行うことができる。また、増幅された電位の配線GBLaまたは配線GBLbへの出力を制御することにより、複数のセンスアンプ31を1本の配線GBLaおよび1本の配線GBLbで接続することができる。 The sense amplifier circuit 30 has a function of amplifying an input signal and a function of controlling the output of the amplified signal. Specifically, the read potential is amplified and output to the wiring GBLa or the wiring GBLb at a predetermined timing. By amplifying the read potential by the sense amplifier circuit 30, data can be reliably read even when the potential read from the memory cell 11a or the memory cell 11b is weak. Further, by controlling the output of the amplified potential to the wiring GBLa or the wiring GBLb, the plurality of sense amplifiers 31 can be connected by one wiring GBLa and one wiring GBLb.

図33および図34に示す記憶回路40では、1つのセンスアンプ31と、当該1つのセンスアンプ31の上に積層されている複数のメモリセル11aおよび複数のメモリセル11bと、の組が、4つ設けられている場合を例示している。ただし、本発明の一態様に係る記憶回路40では、上記組が単数であっても良いし、4以外の複数であっても良い。 In the memory circuit 40 shown in FIGS. 33 and 34, a set of one sense amplifier 31 and a plurality of memory cells 11a and a plurality of memory cells 11b stacked on the one sense amplifier 31 is four. The case where one is provided is illustrated. However, in the memory circuit 40 according to one embodiment of the present invention, the set may be singular or plural other than four.

また、図33および図34では、複数のメモリセル11aが設けられている領域15aと、複数のメモリセル11bが設けられている領域15bとが、当該複数のメモリセル11aおよび当該複数のメモリセル11bと接続されている1つのセンスアンプ31と重なっている。 In FIGS. 33 and 34, the region 15a in which the plurality of memory cells 11a are provided and the region 15b in which the plurality of memory cells 11b are provided include the plurality of memory cells 11a and the plurality of memory cells. It overlaps with one sense amplifier 31 connected to 11b.

なお、図33および図34では、センスアンプ31が配線BLaおよび配線BLbと接続されている。そして、1つの領域15aに設けられている複数のメモリセル11aは、同一の配線BLaと接続されている。また、1つの領域15bに設けられている複数のメモリセル11bは、同一の配線BLbと接続されている。 33 and 34, the sense amplifier 31 is connected to the wiring BLa and the wiring BLb. The plurality of memory cells 11a provided in one region 15a are connected to the same wiring BLa. A plurality of memory cells 11b provided in one region 15b are connected to the same wiring BLb.

また、4つの領域15aでは複数の配線WLaを共有しており、4つの領域15bでは複数の配線WLbを共有している。具体的には、1本の配線WLaは4つのメモリセル11aと接続され、1本の配線WLbは4つのメモリセル11bと接続されている。 The four regions 15a share a plurality of wirings WLa, and the four regions 15b share a plurality of wirings WLb. Specifically, one wiring WLa is connected to four memory cells 11a, and one wiring WLb is connected to four memory cells 11b.

そして、図33および図34に示すセルアレイ10は開放型であるため、配線BLaは配線WLbと交差せず、配線BLbは配線WLaと交差しない構成を有する。 Since the cell array 10 illustrated in FIGS. 33 and 34 is an open type, the wiring BLa does not intersect with the wiring WLb, and the wiring BLb does not intersect with the wiring WLa.

また、各センスアンプ31は、それぞれ配線GBLaおよび配線GBLbと接続されている。 Each sense amplifier 31 is connected to the wiring GBLa and the wiring GBLb.

このようなセルアレイのレイアウトの方式を開放型と呼ぶ場合がある。開放型を適用する場合、後述する折り返し型のレイアウトに比べてメモリセルの密度を高めることができ、セルアレイ10の面積を縮小することができる。よって、記憶回路40の面積を削減し、記憶回路40の単位面積あたりの記憶容量を増加させることができる。 Such a cell array layout method is sometimes referred to as an open type. When the open type is applied, the density of the memory cells can be increased and the area of the cell array 10 can be reduced as compared with a folded layout described later. Therefore, the area of the memory circuit 40 can be reduced, and the memory capacity per unit area of the memory circuit 40 can be increased.

本発明の一態様においては、記憶回路40は、セルアレイ10がセンスアンプ31の上に積層された構成を有する。また、領域15aにおいて少なくとも1以上のメモリセル11aがセンスアンプ31と重なる領域を有するように配置されており、領域15bにおいて少なくとも1以上のメモリセル11bがセンスアンプ31と重なる領域を有するように配置されている。これにより、セルアレイ10とセンスアンプ31が同一の層に設けられている場合と比較して、記憶回路40の面積を削減することができる。よって、記憶回路40の単位面積あたりの記憶容量を増加させることができる。なお、メモリセル11aおよびメモリセル11bは、1つのセンスアンプ31と重なる領域を有するように配置してもよいし、異なる複数のセンスアンプ31と重なる領域を有するように配置してもよい。また、1つのセンスアンプ31の上に積層されるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数、言い換えると1組の領域15aと領域15bに含まれるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数は自由に設定することができる。例えば、1つのセンスアンプ31の上に積層されるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数、言い換えると1組の領域15aと領域15bに含まれるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数を、合計512個以下、好ましくは合計256個以下とすることができ、少なくとも合計2個以上とすることができる。 In one embodiment of the present invention, the memory circuit 40 has a structure in which the cell array 10 is stacked over the sense amplifier 31. In the region 15a, at least one or more memory cells 11a are arranged so as to have a region overlapping with the sense amplifier 31, and in the region 15b, at least one or more memory cells 11b are arranged so as to have a region overlapping with the sense amplifier 31. Has been. Thereby, the area of the memory circuit 40 can be reduced as compared with the case where the cell array 10 and the sense amplifier 31 are provided in the same layer. Therefore, the storage capacity per unit area of the storage circuit 40 can be increased. Note that the memory cell 11 a and the memory cell 11 b may be arranged so as to have a region overlapping with one sense amplifier 31, or may be arranged so as to have a region overlapping with a plurality of different sense amplifiers 31. The number of memory cells 11a and memory cells 11b stacked on one sense amplifier 31, that is, the number of memory cells 11a and memory cells 11b included in one set of region 15a and region 15b is freely set. be able to. For example, the number of memory cells 11a and memory cells 11b stacked on one sense amplifier 31, in other words, the total number of memory cells 11a and memory cells 11b included in one set of region 15a and region 15b is 512. Hereinafter, the total number is preferably 256 or less, and can be at least 2 or more in total.

また、記憶回路40における消費電力を削減するためには、領域15aに含まれるメモリセル11aおよび領域15bに含まれるメモリセル11bの数を減らすことが好ましい。しかしながら、領域15aに含まれるメモリセル11aおよび領域15bに含まれるメモリセル11bの数を減らすと、記憶容量の維持のためにセンスアンプ31の数を増やす必要がある。ここで、セルアレイ10とセンスアンプ31が同一の層に設けられる構成をとる場合、センスアンプ31の数の増加が直接的に記憶回路40の面積の増大につながる。そのため、領域15aおよび領域15bに含まれるメモリセルの数を一定以下に減らすことは困難である。 In order to reduce power consumption in the memory circuit 40, it is preferable to reduce the number of memory cells 11a included in the region 15a and the number of memory cells 11b included in the region 15b. However, if the number of memory cells 11a included in the region 15a and the number of memory cells 11b included in the region 15b are reduced, it is necessary to increase the number of sense amplifiers 31 in order to maintain the storage capacity. Here, when the cell array 10 and the sense amplifier 31 are provided in the same layer, an increase in the number of sense amplifiers 31 directly leads to an increase in the area of the memory circuit 40. Therefore, it is difficult to reduce the number of memory cells included in the region 15a and the region 15b below a certain level.

一方、本発明の一態様においては、セルアレイ10とセンスアンプ31が積層された構成を有するため、センスアンプ31の数が増加しても、記憶回路40の面積の増加を抑えることができる。そのため、領域15aに含まれるメモリセル11aの数および領域15bに含まれるメモリセル11bの数を減らし、記憶回路40における消費電力を削減することが容易である。具体的には、1つのセンスアンプ31の上に積層されるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数、言い換えると1組の領域15aと領域15bに含まれるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数を合計64個以下、好ましくは合計32個以下、さらに好ましくは合計16個以下、さらに好ましくは合計8個以下とすることができる。なお、センスアンプ31の面積の合計はセルアレイ10の面積以下に抑えることが好ましいが、セルアレイ10の面積以上であっても、記憶回路40の面積の増加を低減することができる。 On the other hand, since the cell array 10 and the sense amplifier 31 are stacked in one embodiment of the present invention, an increase in the area of the memory circuit 40 can be suppressed even if the number of the sense amplifiers 31 is increased. Therefore, it is easy to reduce the power consumption in the memory circuit 40 by reducing the number of memory cells 11a included in the region 15a and the number of memory cells 11b included in the region 15b. Specifically, the total number of memory cells 11a and memory cells 11b stacked on one sense amplifier 31, in other words, the total number of memory cells 11a and memory cells 11b included in one set of region 15a and region 15b. It can be 64 or less, preferably a total of 32 or less, more preferably a total of 16 or less, and even more preferably a total of 8 or less. Note that although the total area of the sense amplifiers 31 is preferably suppressed to be equal to or less than the area of the cell array 10, an increase in the area of the memory circuit 40 can be reduced even if the total area is equal to or greater than the area of the cell array 10.

また、セルアレイ10とセンスアンプ31とを積層することにより、セルアレイ10とセンスアンプ31とを接続する配線BLaおよび配線BLbの長さを短くすることができる。さらに、1つのセンスアンプ31の上に積層されるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数、言い換えると一組の領域15aと領域15bに含まれるメモリセル11aおよびメモリセル11bの数を低減することにより、セルアレイ10とセンスアンプ31とを接続する配線BLaおよび配線BLbの長さをさらに短くすることができる。よって、上記配線BLaおよび配線BLbの配線抵抗および寄生容量を小さく抑えることができ、記憶回路40の消費電力の低減および動作速度の向上を図ることができる。また、読み出し電位のノイズを低減することができるので、読み出し動作におけるエラーを低減することができる。 Further, by stacking the cell array 10 and the sense amplifier 31, the lengths of the wiring BLa and the wiring BLb that connect the cell array 10 and the sense amplifier 31 can be shortened. Furthermore, by reducing the number of memory cells 11a and memory cells 11b stacked on one sense amplifier 31, in other words, the number of memory cells 11a and memory cells 11b included in one set of region 15a and region 15b. The lengths of the wiring BLa and the wiring BLb connecting the cell array 10 and the sense amplifier 31 can be further shortened. Therefore, the wiring resistance and parasitic capacitance of the wiring BLa and the wiring BLb can be reduced, and the power consumption and the operation speed of the memory circuit 40 can be reduced. In addition, since noise in the read potential can be reduced, errors in the read operation can be reduced.

図35(A)に、図33に示す記憶回路40の変形例を示す。また、図35(B)に、図35(A)に示す構成の記憶回路40の上面図を示す。図35(A)、(B)に示す構成の記憶回路40は、メモリセル11がセンスアンプ31の上に積層された構造を有する。図33に示す構成の記憶回路40はセルアレイ10のレイアウト方式が開放型であるのに対して、図35(A)、(B)に示す構成の記憶回路40はセルアレイ10のレイアウト方式が折り返し型である。 FIG. 35A illustrates a modification of the memory circuit 40 illustrated in FIG. FIG. 35B shows a top view of the memory circuit 40 having the structure shown in FIG. The memory circuit 40 having the configuration shown in FIGS. 35A and 35B has a structure in which the memory cell 11 is stacked on the sense amplifier 31. The memory circuit 40 having the configuration shown in FIG. 33 has an open layout type for the cell array 10, whereas the memory circuit 40 having the configuration shown in FIGS. 35A and 35B has a folded layout type for the cell array 10. It is.

図35(A)、(B)に示す構成の記憶回路40では、1つのセンスアンプ31と、当該1つのセンスアンプ31の上に積層されている複数のメモリセル11との組が、2つ設けられている場合を例示している。ただし、本発明の一態様に係る記憶回路40では、上記組が単数であってもよいし、3以上の複数であってもよい。 In the memory circuit 40 having the configuration shown in FIGS. 35A and 35B, two sets of one sense amplifier 31 and a plurality of memory cells 11 stacked on the one sense amplifier 31 are provided. The case where it is provided is illustrated. Note that in the memory circuit 40 according to one embodiment of the present invention, the above set may be a single set or a plurality of three or more sets.

また、図35(A)、(B)では、4つのメモリセル11が、当該複数のメモリセル11と接続されている1つのセンスアンプ31と重なっている。ただし、本発明の一態様に係る記憶回路40では、1つのセンスアンプ31と重なるメモリセル11は単数であってもよいし、4以外の複数であってもよい。 In FIGS. 35A and 35B, four memory cells 11 overlap one sense amplifier 31 connected to the plurality of memory cells 11. Note that in the memory circuit 40 according to one embodiment of the present invention, the number of the memory cells 11 overlapping with one sense amplifier 31 may be one or more than four.

なお、図35(A)、(B)ではセンスアンプ31が、ある配線BLと、当該配線BLに隣接する1本の配線BLと接続されている。また、各センスアンプ31は、それぞれ配線GBLaおよび配線GBLbと接続されている。 35A and 35B, the sense amplifier 31 is connected to a certain wiring BL and one wiring BL adjacent to the wiring BL. Each sense amplifier 31 is connected to the wiring GBLa and the wiring GBLb.

そして、図35(A)、(B)に示すセルアレイ10は折り返し型であるため、ある配線BLと接続されたメモリセル11と、当該配線BLに隣接する配線BLと接続されたメモリセル11とが、同一の配線WLと接続されない構成としている。 Since the cell array 10 shown in FIGS. 35A and 35B is a folded type, the memory cell 11 connected to a certain wiring BL, and the memory cell 11 connected to the wiring BL adjacent to the wiring BL However, they are not connected to the same wiring WL.

このような構成とすることにより、1つのセンスアンプ31でデータを読み出すとき、当該センスアンプに接続された2本の配線BLのノイズの影響を低減することができる。よって、記憶回路40において、読み出し時のエラーを低減させることができる。 With such a configuration, when data is read by one sense amplifier 31, it is possible to reduce the influence of noise of the two wirings BL connected to the sense amplifier. Therefore, in the memory circuit 40, errors during reading can be reduced.

<記憶回路を用いた半導体装置の構成例>
次に、記憶回路40を用いた半導体装置の構成例を、図36を用いて説明する。
<Structure Example of Semiconductor Device Using Memory Circuit>
Next, a configuration example of a semiconductor device using the memory circuit 40 will be described with reference to FIG.

図36に示す半導体装置は、記憶回路40、メインアンプ80、入出力回路90を有する。ここでは、半導体装置がk個(kは2以上の自然数)の記憶回路40(記憶回路40−1乃至40−n)を有する構成を示す。図36に示す記憶回路40は、図33と同様に、複数のメモリセル11aおよびメモリセル11bを有するセルアレイ10と、複数のセンスアンプ31を有するセンスアンプ回路30を有する。なお、図36では記憶回路40−1がセルアレイ10およびセンスアンプ回路30を有する構成を図示しているが、記憶回路40−2乃至40−nも記憶回路40−1と同様の構成とすることができる。また、図36に示す記憶回路40−1では、図が煩雑になるのを防ぐため、図33で示している、配線BLb、配線WLb、メモリセル11bなどを省略している。また、図36に示すセンスアンプ回路30では、配線GBLaおよび配線GBLbを1本ずつ設ける構成を示しているが、これに限られることなく、配線GBLaおよび配線GBLbを複数本設ける構成としてもよい。 The semiconductor device illustrated in FIG. 36 includes a memory circuit 40, a main amplifier 80, and an input / output circuit 90. Here, a configuration in which the semiconductor device includes k (k is a natural number of 2 or more) memory circuits 40 (memory circuits 40-1 to 40-n) is shown. A memory circuit 40 illustrated in FIG. 36 includes a cell array 10 including a plurality of memory cells 11a and memory cells 11b and a sense amplifier circuit 30 including a plurality of sense amplifiers 31 as in FIG. Note that FIG. 36 illustrates a configuration in which the memory circuit 40-1 includes the cell array 10 and the sense amplifier circuit 30, but the memory circuits 40-2 to 40-n are configured similarly to the memory circuit 40-1. Can do. Further, in the memory circuit 40-1 illustrated in FIG. 36, the wiring BLb, the wiring WLb, the memory cell 11b, and the like illustrated in FIG. 33 are omitted in order to prevent the diagram from becoming complicated. In the sense amplifier circuit 30 illustrated in FIG. 36, the wiring GBLa and the wiring GBLb are provided one by one. However, the configuration is not limited thereto, and a plurality of wirings GBLa and GBLb may be provided.

メインアンプ80は、記憶回路40および入出力回路90と接続されている。メインアンプ80は、入力された信号を増幅する機能を有する。具体的には、配線GBLaまたは配線GBLbの電位を増幅して入出力回路90に出力する機能を有する。なお、メインアンプ80は省略することもできる。 The main amplifier 80 is connected to the storage circuit 40 and the input / output circuit 90. The main amplifier 80 has a function of amplifying the input signal. Specifically, it has a function of amplifying the potential of the wiring GBLa or the wiring GBLb and outputting the amplified potential to the input / output circuit 90. The main amplifier 80 can be omitted.

入出力回路90は、配線GBLaの電位、配線GBLbの電位またはメインアンプ80から出力された電位を読み出しデータとして外部に出力する機能を有する。 The input / output circuit 90 has a function of outputting the potential of the wiring GBLa, the potential of the wiring GBLb, or the potential output from the main amplifier 80 to the outside as read data.

ここで、配線BLaがそれぞれ別々の配線GBLaと接続されており、配線BLbがそれぞれ別々の配線GBLbと接続されている場合、配線BLaと同じ本数の配線GBLaを設ける必要があり、また配線BLbと同じ本数の配線GBLbを設ける必要がある。さらに、配線GBLaおよび配線GLBbのすべてがメインアンプ80と接続されることとなる。この場合、メインアンプ80は、配線BLaと同じ数の配線GBLaに供給された信号のすべておよび配線BLbと同じ数の配線GBLbに供給された信号のすべてを増幅する必要があり、メインアンプ80を駆動するための電力が増大してしまう。また、配線GBLa同士および配線GBLb同士の間隔が狭くなると、配線GBLaおよび配線GBLbに生じる寄生容量が増大する。このため、配線GBLaおよび配線GBLbには、センスアンプ回路30における増幅率を上げるなどの手段により、寄生容量による信号の減衰や遅延を考慮した信号を供給する必要がある。よって、データの読み書きに要する電力が増大してしまう。 Here, when the wirings BLa are connected to different wirings GBLa and the wirings BLb are connected to different wirings GBLb, it is necessary to provide the same number of wirings GBLa as the wirings BLa. It is necessary to provide the same number of wirings GBLb. Furthermore, all of the wiring GBLa and the wiring GLBb are connected to the main amplifier 80. In this case, the main amplifier 80 needs to amplify all of the signals supplied to the same number of wires GBLa as the wires BLa and all of the signals supplied to the same number of wires GBLb as the wires BLb. The electric power for driving will increase. Further, when the interval between the wirings GBLa and the wirings GBLb is narrowed, the parasitic capacitance generated in the wirings GBLa and GBLb increases. For this reason, it is necessary to supply signals to the wiring GBLa and the wiring GBLb in consideration of signal attenuation and delay due to parasitic capacitance by means such as increasing the amplification factor in the sense amplifier circuit 30. Therefore, the power required for reading and writing data increases.

一方、本発明の一態様においては、配線GBLaが複数の配線BLaにおいて共有化されており、センスアンプ回路30は複数の配線BLaのうち所定の配線BLaを選択して、当該選択された配線BLaの電位を配線GBLaに出力する機能を有する。また、配線GBLbが複数の配線BLbにおいて共有化されており、センスアンプ回路30は複数の配線BLbのうち所定の配線BLbを選択して、当該選択された配線BLbの電位を配線GBLbに出力する機能を有する。これにより、メインアンプ80と接続された配線GBLaおよび配線GBLbの本数を削減することができるため、メインアンプ80において増幅すべき信号の数を削減することができる。よって、メインアンプ80における消費電力を削減することができる。また、配線GBLaおよび配線GBLbの本数を減らし、配線GBLa同士の間隔および配線GBLb同士の間隔を広くできるため、配線GBLaおよび配線GBLbに生じる寄生容量を低減することができ、配線GBLaおよび配線GBLbに供給された信号の減衰を抑えることができる。したがって、センスアンプ回路30やメインアンプ80による信号の増幅の負担を軽減することができ、本発明の一態様の半導体装置の消費電力を削減することができる。 On the other hand, in one embodiment of the present invention, the wiring GBLa is shared by the plurality of wirings BLa, and the sense amplifier circuit 30 selects a predetermined wiring BLa from among the plurality of wirings BLa and selects the selected wiring BLa. Has a function of outputting the potential to the wiring GBLa. Further, the wiring GBLb is shared by the plurality of wirings BLb, and the sense amplifier circuit 30 selects a predetermined wiring BLb among the plurality of wirings BLb and outputs the potential of the selected wiring BLb to the wiring GBLb. It has a function. As a result, the number of wiring GBLa and wiring GBLb connected to the main amplifier 80 can be reduced, so that the number of signals to be amplified in the main amplifier 80 can be reduced. Therefore, power consumption in the main amplifier 80 can be reduced. In addition, since the number of the wiring GBLa and the wiring GBLb can be reduced and the distance between the wirings GBLa and the wiring GBLb can be increased, the parasitic capacitance generated in the wiring GBLa and the wiring GBLb can be reduced, and the wiring GBLa and the wiring GBLb The attenuation of the supplied signal can be suppressed. Therefore, the burden of signal amplification by the sense amplifier circuit 30 and the main amplifier 80 can be reduced, and power consumption of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be reduced.

さらに、配線GBLaおよび配線GBLbの本数を削減して寄生容量を低減することにより、配線GBLaおよび配線GBLbの信号を増幅することなく、入出力回路90に直接出力する構成とすることもできる。この場合、メインアンプ80を省略することができ、半導体装置の消費電力および面積の削減を図ることができる。 Further, by reducing the number of the wiring GBLa and the wiring GBLb to reduce the parasitic capacitance, a configuration in which the signals of the wiring GBLa and the wiring GBLb are directly output to the input / output circuit 90 without being amplified can be employed. In this case, the main amplifier 80 can be omitted, and the power consumption and area of the semiconductor device can be reduced.

なお、配線GBLaの本数は特に限定されず、配線BLaの本数よりも小さい任意の数とすることができる。また、配線GBLbの本数は特に限定されず、配線BLbの本数よりも小さい任意の数とすることができる。 Note that the number of wirings GBLa is not particularly limited, and can be any number smaller than the number of wirings BLa. Further, the number of wirings GBLb is not particularly limited, and may be any number smaller than the number of wirings BLb.

なお、ここではメモリセル11aおよびメモリセル11bに記憶されたデータを入出力回路90から外部に出力する構成について説明したが、メモリセル11aおよびメモリセル11bにデータを書き込む動作も、同様の原理で行うことができる。具体的には、外部から入力された書き込みデータが入出力回路90からメインアンプ80に出力され、メインアンプ80によって増幅された電位がセンスアンプ回路30に入力される。そして、センスアンプ回路30で増幅された電位が書き込み電位として配線BLaまたは配線BLbに供給される。なお、配線BLaまたは配線BLbへの書き込み電位の出力のタイミングは、センスアンプ回路30によって制御することができる。データの書き込みにおいても、上記の効果を得ることができる。 Here, the configuration in which the data stored in the memory cell 11a and the memory cell 11b is output from the input / output circuit 90 to the outside has been described. However, the operation for writing the data to the memory cell 11a and the memory cell 11b is also based on the same principle. It can be carried out. Specifically, write data input from the outside is output from the input / output circuit 90 to the main amplifier 80, and the potential amplified by the main amplifier 80 is input to the sense amplifier circuit 30. Then, the potential amplified by the sense amplifier circuit 30 is supplied to the wiring BLa or the wiring BLb as a writing potential. Note that the timing of outputting the writing potential to the wiring BLa or the wiring BLb can be controlled by the sense amplifier circuit 30. The above effect can also be obtained in data writing.

配線WLaおよび配線WLbは駆動回路70と接続されている。駆動回路70は、所定の配線WLaまたは配線WLbに、データの書き込みを行うメモリセル11aまたはメモリセル11bを選択するための信号(以下、書き込みワード信号ともいう)を供給する機能を有する。駆動回路70は、デコーダなどによって構成することができる。 The wiring WLa and the wiring WLb are connected to the drive circuit 70. The driver circuit 70 has a function of supplying a signal (hereinafter also referred to as a write word signal) for selecting the memory cell 11a or the memory cell 11b to which data is written to the predetermined wiring WLa or the wiring WLb. The drive circuit 70 can be configured by a decoder or the like.

センスアンプ31は、配線BLaを介してメモリセル11aと接続されており、配線BLbを介してメモリセル11bと接続されている。センスアンプ31は、増幅回路32およびスイッチ回路33を有する。 The sense amplifier 31 is connected to the memory cell 11a via the wiring BLa and is connected to the memory cell 11b via the wiring BLb. The sense amplifier 31 includes an amplifier circuit 32 and a switch circuit 33.

増幅回路32は、配線BLaおよび配線BLbの電位を増幅する機能を有する。具体的には、増幅回路32は配線BLaまたは配線BLbの電位と基準電位との差を増幅し、増幅された電位差を保持する機能を有する。例えば、配線BLaの電位を増幅する場合は、配線BLbの電位を基準電位として、配線BLaと配線BLbの電位差を増幅する。また、配線BLbの電位を増幅する場合は、配線BLaの電位を基準電位として、配線BLbと配線BLaの電位差を増幅する。 The amplifier circuit 32 has a function of amplifying the potentials of the wiring BLa and the wiring BLb. Specifically, the amplifier circuit 32 has a function of amplifying a difference between the potential of the wiring BLa or the wiring BLb and the reference potential and holding the amplified potential difference. For example, in the case of amplifying the potential of the wiring BLa, the potential difference between the wiring BLa and the wiring BLb is amplified using the potential of the wiring BLb as a reference potential. Further, in the case of amplifying the potential of the wiring BLb, the potential difference between the wiring BLb and the wiring BLa is amplified using the potential of the wiring BLa as a reference potential.

スイッチ回路33は、増幅された配線BLaの電位を配線GBLaに出力するか否かを選択し、増幅された配線BLbの電位を配線GBLbに出力するか否かを選択する機能を有する。具体的には、配線BLaと配線GBLaとの導通状態および配線BLbと配線GBLbとの導通状態を制御する機能を有する。 The switch circuit 33 has a function of selecting whether or not to output the amplified potential of the wiring BLa to the wiring GBLa and selecting whether or not to output the amplified potential of the wiring BLb to the wiring GBLb. Specifically, it has a function of controlling the conductive state between the wiring BLa and the wiring GBLa and the conductive state between the wiring BLb and the wiring GBLb.

スイッチ回路33は、複数の配線CSELのうちいずれかと接続されており、駆動回路70から配線CSELに供給される信号に基づいて、スイッチ回路33の動作が制御される。具体的には、配線BLaと配線GBLaとの導通状態、および配線BLbと配線GBLbとの導通状態が制御される。これにより、複数の配線BLaのうち配線GBLaに電位を供給する配線BLaを選択することができる。また、複数の配線BLbのうち配線GBLbに電位を供給する配線BLbを選択することができる。以上により、配線BLaを共有化することができ、また配線BLbを共有化することができる。したがって、配線GBLaおよび配線GBLbの本数を削減することができる。 The switch circuit 33 is connected to any one of the plurality of wirings CSEL, and the operation of the switching circuit 33 is controlled based on a signal supplied from the drive circuit 70 to the wiring CSEL. Specifically, the conduction state between the wiring BLa and the wiring GBLa and the conduction state between the wiring BLb and the wiring GBLb are controlled. Accordingly, the wiring BLa that supplies a potential to the wiring GBLa among the plurality of wirings BLa can be selected. In addition, the wiring BLb that supplies a potential to the wiring GBLb among the plurality of wirings BLb can be selected. Thus, the wiring BLa can be shared and the wiring BLb can be shared. Accordingly, the number of the wiring GBLa and the wiring GBLb can be reduced.

ここで、本発明の一態様においては、配線BLaおよび配線BLbから出力された信号のうち、入出力回路90から外部に出力する信号の選択を、スイッチ回路33および配線CSELを用いて行うことができる。そのため、入出力回路90において、マルチプレクサなどを用いて複数の信号のうち一部の信号を選択する動作を行う必要がない。したがって、入出力回路90の構成を簡略化し、面積を縮小することができる。 Here, in one embodiment of the present invention, of the signals output from the wiring BLa and the wiring BLb, the signal output to the outside from the input / output circuit 90 can be selected using the switch circuit 33 and the wiring CSEL. it can. Therefore, it is not necessary for the input / output circuit 90 to perform an operation of selecting some of the plurality of signals using a multiplexer or the like. Therefore, the configuration of the input / output circuit 90 can be simplified and the area can be reduced.

さらに、上記の構成において、図36に示すように、スイッチ回路33および配線CSELは、セルアレイ10と重なる領域を有するように配置することが好ましい。具体的には、スイッチ回路33および配線CSELが、メモリセル11aまたは/およびメモリセル11bと重なる領域を有するように設けることが好ましい。これにより、記憶回路40の面積の増加を抑えつつ、センスアンプ回路30に出力信号を選択する機能を付加することができる。 Further, in the above structure, as shown in FIG. 36, the switch circuit 33 and the wiring CSEL are preferably arranged so as to have a region overlapping with the cell array 10. Specifically, the switch circuit 33 and the wiring CSEL are preferably provided so as to have a region overlapping with the memory cell 11a and / or the memory cell 11b. Thereby, it is possible to add a function of selecting an output signal to the sense amplifier circuit 30 while suppressing an increase in the area of the memory circuit 40.

なお、ここでは配線WLaおよび配線WLbと、配線CSELと、が駆動回路70と接続された構成を示したが、配線WLaおよび配線WLbと、配線CSELと、が別々の駆動回路と接続されていてもよい。この場合、配線WLaおよび配線WLbの電位と、配線CSELの電位と、は別々の駆動回路によって制御される。 Note that although the wiring WLa, the wiring WLb, and the wiring CSEL are connected to the driving circuit 70 here, the wiring WLa, the wiring WLb, and the wiring CSEL are connected to separate driving circuits. Also good. In this case, the potentials of the wiring WLa and the wiring WLb and the potential of the wiring CSEL are controlled by separate driving circuits.

次に、センスアンプ回路30におけるセンスアンプ31および配線CSELの配置の例について説明する。 Next, an example of the arrangement of the sense amplifier 31 and the wiring CSEL in the sense amplifier circuit 30 will be described.

図37(A)は、4つのセンスアンプ31(センスアンプ31a乃至d)が周期的に1列に配置され、各センスアンプ31が4本の配線CSEL(配線CSELa乃至d)のうちいずれかと接続された構成を示す。具体的には、センスアンプ31aは配線CSELaと接続され、センスアンプ31bは配線CSELbと接続され、センスアンプ31cは配線CSELcと接続され、センスアンプ31dは配線CSELdと接続されている。そして、各センスアンプ31は、配線GBLaおよび配線GBLbと接続されている。 In FIG. 37A, four sense amplifiers 31 (sense amplifiers 31a to 31d) are periodically arranged in one column, and each sense amplifier 31 is connected to one of four wirings CSEL (wirings CSELa to d). Is shown. Specifically, the sense amplifier 31a is connected to the wiring CSELa, the sense amplifier 31b is connected to the wiring CSELb, the sense amplifier 31c is connected to the wiring CSELc, and the sense amplifier 31d is connected to the wiring CSELd. Each sense amplifier 31 is connected to the wiring GBLa and the wiring GBLb.

また、配線CSELの一部は、センスアンプ31の反対側に設けられていてもよい。例えば、図37(B)に示すように、配線CSELaおよび配線CSELbと、配線CSELcおよび配線CSELdとの間にセンスアンプ31が設けられた構成とすることができる。 A part of the wiring CSEL may be provided on the opposite side of the sense amplifier 31. For example, as illustrated in FIG. 37B, a structure in which a sense amplifier 31 is provided between the wiring CSELa and the wiring CSELb and the wiring CSELc and the wiring CSELd can be employed.

また、図37(C)に示すように、センスアンプ31は、ジグザグな形状の線上に配置されていてもよい。この場合、センスアンプ31の一部が、隣接するセンスアンプ31の一部と重なるように配置してもよい。例えば、センスアンプ31bは、センスアンプ31aの一部およびセンスアンプ31cの一部と重なるように配置されている。これにより、図37(A)、(B)と比較してセンスアンプ回路30の幅方向(紙面左右方向)の長さを短くすることができる。 As shown in FIG. 37C, the sense amplifier 31 may be arranged on a zigzag line. In this case, a part of the sense amplifier 31 may be arranged so as to overlap a part of the adjacent sense amplifier 31. For example, the sense amplifier 31b is arranged so as to overlap a part of the sense amplifier 31a and a part of the sense amplifier 31c. This makes it possible to shorten the length of the sense amplifier circuit 30 in the width direction (left and right direction on the paper) as compared with FIGS. 37 (A) and (B).

また、センスアンプ31は複数列設けられていてもよい。例えば、図37(D)に示すように、2列設けることができる。ここでは、2行2列に配置されたセンスアンプ31a乃至センスアンプ31dが、周期的に配置された構成を示している。 The sense amplifiers 31 may be provided in a plurality of rows. For example, two rows can be provided as shown in FIG. Here, a configuration is shown in which sense amplifiers 31a to 31d arranged in two rows and two columns are periodically arranged.

<センスアンプの構成例>
次に、本発明の一態様に係るセンスアンプ31の具体的な構成例について説明する。
<Configuration example of sense amplifier>
Next, a specific configuration example of the sense amplifier 31 according to one embodiment of the present invention is described.

図38に、メモリセル11aおよびメモリセル11bと、メモリセル11aおよびメモリセル11bと電気的に接続されたセンスアンプ31の回路構成の一例を示す。メモリセル11aは配線BLaを介してセンスアンプ31と接続されており、メモリセル11bは配線BLbを介してセンスアンプ31と接続されている。 FIG. 38 shows an example of a circuit configuration of the memory cell 11a and the memory cell 11b and the sense amplifier 31 electrically connected to the memory cell 11a and the memory cell 11b. The memory cell 11a is connected to the sense amplifier 31 via the wiring BLa, and the memory cell 11b is connected to the sense amplifier 31 via the wiring BLb.

なお、図38では、1本の配線BLaに1つのメモリセル11aが接続されており、1本の配線BLbに1つのメモリセル11bが接続されている構成を例示しているが、配線BLaには複数のメモリセル11aがセンスアンプ31と接続されていてもよい。また、配線BLbには複数のメモリセル11bがセンスアンプ31と接続されていてもよい。 Note that FIG. 38 illustrates a configuration in which one memory cell 11a is connected to one wiring BLa and one memory cell 11b is connected to one wiring BLb. A plurality of memory cells 11 a may be connected to the sense amplifier 31. A plurality of memory cells 11b may be connected to the sense amplifier 31 on the wiring BLb.

センスアンプ31は、増幅回路32、スイッチ回路33およびプリチャージ回路34を有する。 The sense amplifier 31 includes an amplifier circuit 32, a switch circuit 33, and a precharge circuit 34.

増幅回路32は、pチャネル型のトランジスタ91およびトランジスタ92と、nチャネル型のトランジスタ93およびトランジスタ94とを有する。トランジスタ91のソースまたはドレインの一方は配線SPと接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ92のゲート、トランジスタ94のゲート、および配線BLaと接続されている。トランジスタ93のソースまたはドレインの一方はトランジスタ92のゲート、トランジスタ94のゲート、および配線BLaと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SNと接続されている。トランジスタ92のソースまたはドレインの一方は配線SPと接続され、ソースまたはドレインの他方はトランジスタ91のゲート、トランジスタ93のゲート、および配線BLbと接続されている。トランジスタ94のソースまたはドレインの一方はトランジスタ91のゲート、トランジスタ93のゲート、および配線BLbと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線SNと接続されている。増幅回路32は、配線BLaの電位を増幅する機能、および配線BLbの電位を増幅する機能を有する。なお、図38に示す増幅回路32を有するセンスアンプ31は、ラッチ型のセンスアンプとして機能する。 The amplifier circuit 32 includes a p-channel transistor 91 and a transistor 92, and an n-channel transistor 93 and a transistor 94. One of a source and a drain of the transistor 91 is connected to the wiring SP, and the other of the source and the drain is connected to the gate of the transistor 92, the gate of the transistor 94, and the wiring BLa. One of a source and a drain of the transistor 93 is connected to the gate of the transistor 92, the gate of the transistor 94, and the wiring BLa, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SN. One of a source and a drain of the transistor 92 is connected to the wiring SP, and the other of the source and the drain is connected to the gate of the transistor 91, the gate of the transistor 93, and the wiring BLb. One of a source and a drain of the transistor 94 is connected to the gate of the transistor 91, the gate of the transistor 93, and the wiring BLb, and the other of the source and the drain is connected to the wiring SN. The amplifier circuit 32 has a function of amplifying the potential of the wiring BLa and a function of amplifying the potential of the wiring BLb. Note that the sense amplifier 31 including the amplifier circuit 32 illustrated in FIG. 38 functions as a latch-type sense amplifier.

スイッチ回路33は、nチャネル型のトランジスタ95およびトランジスタ96を有する。トランジスタ95およびトランジスタ96は、pチャネル型であっても良い。トランジスタ95のソースまたはドレインの一方は配線BLaと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線GBLaと接続されている。トランジスタ96のソースまたはドレインの一方は配線BLbと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線GBLbと接続されている。また、トランジスタ95のゲートおよびトランジスタ96のゲートは、配線CSELと接続されている。スイッチ回路33は、配線CSELに供給される電位に基づいて、配線BLaと配線GBLaの導通状態、および配線BLbと配線GBLbの導通状態を制御する機能を有する。 The switch circuit 33 includes an n-channel transistor 95 and a transistor 96. The transistors 95 and 96 may be p-channel type. One of a source and a drain of the transistor 95 is connected to the wiring BLa, and the other of the source and the drain is connected to the wiring GBLa. One of a source and a drain of the transistor 96 is connected to the wiring BLb, and the other of the source and the drain is connected to the wiring GBLb. The gate of the transistor 95 and the gate of the transistor 96 are connected to the wiring CSEL. The switch circuit 33 has a function of controlling a conduction state between the wiring BLa and the wiring GBLa and a conduction state between the wiring BLb and the wiring GBLb based on a potential supplied to the wiring CSEL.

プリチャージ回路34は、nチャネル型のトランジスタ97、トランジスタ98、トランジスタ99を有する。トランジスタ97乃至トランジスタ99は、pチャネル型であっても良い。トランジスタ97のソースまたはドレインの一方は配線BLaと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線Preと接続されている。トランジスタ98のソースまたはドレインの一方は配線BLbと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線Preと接続されている。トランジスタ99のソースまたはドレインの一方は配線BLaと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線BLbと接続されている。また、トランジスタ97のゲート、トランジスタ98のゲート、およびトランジスタ99のゲートは、配線PCLと接続されている。プリチャージ回路34は、配線BLaおよび配線BLbの電位を初期化する機能を有する。 The precharge circuit 34 includes an n-channel transistor 97, a transistor 98, and a transistor 99. The transistors 97 to 99 may be p-channel types. One of a source and a drain of the transistor 97 is connected to the wiring BLa, and the other of the source and the drain is connected to the wiring Pre. One of a source and a drain of the transistor 98 is connected to the wiring BLb, and the other of the source and the drain is connected to the wiring Pre. One of a source and a drain of the transistor 99 is connected to the wiring BLa, and the other of the source and the drain is connected to the wiring BLb. The gate of the transistor 97, the gate of the transistor 98, and the gate of the transistor 99 are connected to the wiring PCL. The precharge circuit 34 has a function of initializing the potentials of the wiring BLa and the wiring BLb.

なお、増幅回路32、スイッチ回路33、プリチャージ回路34は、メモリセル11と重なる領域を有するように配置することが好ましい。 Note that the amplifier circuit 32, the switch circuit 33, and the precharge circuit 34 are preferably arranged so as to have a region overlapping with the memory cell 11.

<センスアンプの動作例>
次に、データの読み出し時における、図38に示したメモリセル11aおよびメモリセル11bと、センスアンプ31の動作の一例について、図39に示したタイミングチャートを用いて説明する。
<Operation example of sense amplifier>
Next, an example of operations of the memory cell 11a and the memory cell 11b and the sense amplifier 31 illustrated in FIG. 38 at the time of data reading will be described with reference to a timing chart illustrated in FIG.

まず、期間T1では、プリチャージ回路34が有するトランジスタ97乃至トランジスタ99をオンにして、配線BLaおよび配線BLbの電位を初期化する。具体的には、配線PCLにHレベル電位VH_PLを与え、プリチャージ回路34においてトランジスタ97乃至トランジスタ99をオンにする。これにより、配線BLaおよび配線BLbに、配線Preの電位Vpreが与えられる。なお、電位Vpreは、例えば(VH_SP+VL_SN)/2とすることができる。 First, in the period T1, the transistors 97 to 99 included in the precharge circuit 34 are turned on to initialize the potentials of the wiring BLa and the wiring BLb. Specifically, an H level potential VH_PL is applied to the wiring PCL, and the transistors 97 to 99 are turned on in the precharge circuit 34. Thus, the potential Vpre of the wiring Pre is supplied to the wiring BLa and the wiring BLb. Note that the potential Vpre can be set to, for example, (VH_SP + VL_SN) / 2.

なお、期間T1では、配線CSELにはLレベル電位VL_CSELが与えられており、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96はオフの状態にある。また、配線WLaにはLレベル電位VL_WLが与えられており、メモリセル11aにおいてトランジスタ12はオフの状態にある。同様に、図39には図示していないが、配線WLbにはLレベル電位VL_WLが与えられており、メモリセル11bにおいてトランジスタ12はオフの状態にある。また、配線SPおよび配線SNには電位Vpreが与えられており、増幅回路32はオフの状態にある。 Note that in the period T1, the L-level potential VL_CSEL is supplied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 in the switch circuit 33 are off. Further, the L-level potential VL_WL is applied to the wiring WLa, and the transistor 12 is off in the memory cell 11a. Similarly, although not illustrated in FIG. 39, the L-level potential VL_WL is applied to the wiring WLb, and the transistor 12 is off in the memory cell 11b. Further, the potential Vpre is applied to the wiring SP and the wiring SN, and the amplifier circuit 32 is in an off state.

次いで、配線PCLにLレベル電位VL_PLを与え、プリチャージ回路34においてトランジスタ97乃至トランジスタ99をオフにする。そして、期間T2では、配線WLaを選択する。具体的に、図39では、配線WLaにHレベル電位VH_WLを与えることで、配線WLaを選択し、メモリセル11aにおいてトランジスタ12をオンにする。上記構成により、配線BLaと容量素子13とが、トランジスタ12を介して導通状態となる。そして、配線BLaと容量素子13とが導通状態になると、容量素子13に保持されている電荷量に従って、配線BLaの電位が変動する。 Next, the L-level potential VL_PL is applied to the wiring PCL, and the transistors 97 to 99 are turned off in the precharge circuit 34. Then, in the period T2, the wiring WLa is selected. Specifically, in FIG. 39, the wiring WLa is selected by applying the H-level potential VH_WL to the wiring WLa, and the transistor 12 is turned on in the memory cell 11a. With the above structure, the wiring BLa and the capacitor 13 are brought into conduction through the transistor 12. When the wiring BLa and the capacitor 13 are brought into conduction, the potential of the wiring BLa varies according to the amount of charge held in the capacitor 13.

図39に示すタイミングチャートでは、容量素子13に蓄積されている電荷量が多い場合を例示している。具体的に、容量素子13に蓄積されている電荷量が多い場合、容量素子13から配線BLaへ電荷が放出されることで、電位VpreからΔV1だけ配線BLaの電位が上昇する。逆に、容量素子13に蓄積されている電荷量が少ない場合は、配線BLaから容量素子13へ電荷が流入することで、配線BLaの電位はΔV2だけ下降する。 In the timing chart shown in FIG. 39, a case where the amount of charge accumulated in the capacitor 13 is large is illustrated. Specifically, when the amount of charge accumulated in the capacitor 13 is large, charge is released from the capacitor 13 to the wiring BLa, so that the potential of the wiring BLa is increased by ΔV1 from the potential Vpre. On the other hand, when the amount of charge accumulated in the capacitor 13 is small, the charge flows into the capacitor 13 from the wiring BLa, so that the potential of the wiring BLa drops by ΔV2.

なお、期間T2では、配線CSELにはLレベル電位VL_CSELが与えられたままであり、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96はオフの状態を維持する。また、配線SPおよび配線SNには、電位Vpreが与えられたままであり、増幅回路32はオフの状態を維持する。 Note that in the period T2, the L-level potential VL_CSEL is still applied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 are kept off in the switch circuit 33. In addition, the potential Vpre remains applied to the wiring SP and the wiring SN, and the amplifier circuit 32 maintains an off state.

次いで、期間T3では、配線SPにHレベル電位VH_SPを与え、配線SNにLレベル電位VL_SNを与えることで、増幅回路32をオンにする。増幅回路32は、配線BLaおよび配線BLbの電位差(図39の場合はΔV1)を増幅させる機能を有する。よって、図39に示すタイミングチャートの場合、増幅回路32がオンになることで、配線BLaの電位は、電位Vpre+ΔV1から、配線SPの電位VH_SPに近づいていく。また、配線BLbの電位は、電位Vpreから、配線SNの電位VL_SNに近づいていく。 Next, in the period T <b> 3, the amplifier circuit 32 is turned on by applying the H level potential VH_SP to the wiring SP and the L level potential VL_SN to the wiring SN. The amplifier circuit 32 has a function of amplifying a potential difference (ΔV1 in the case of FIG. 39) between the wiring BLa and the wiring BLb. Accordingly, in the timing chart illustrated in FIG. 39, when the amplifier circuit 32 is turned on, the potential of the wiring BLa approaches the potential VH_SP of the wiring SP from the potential Vpre + ΔV1. In addition, the potential of the wiring BLb approaches the potential VL_SN of the wiring SN from the potential Vpre.

なお、期間T3の開始当初、配線BLaの電位が電位Vpre−ΔV2である場合は、増幅回路32がオンになることで、配線BLaの電位は、電位Vpre−ΔV2から、配線SNの電位VL_SNに近づいていく。また、配線BLbの電位は、電位Vpreから、配線SPの電位VH_SPに近づいていく。 Note that when the potential of the wiring BLa is the potential Vpre−ΔV2 at the beginning of the period T3, the amplifier circuit 32 is turned on, so that the potential of the wiring BLa is changed from the potential Vpre−ΔV2 to the potential VL_SN of the wiring SN. Approaching. In addition, the potential of the wiring BLb approaches the potential VH_SP of the wiring SP from the potential Vpre.

また、期間T3では、配線PCLにはLレベル電位VL_PLが与えられたままであり、プリチャージ回路34においてトランジスタ97乃至トランジスタ99はオフの状態を維持する。また、配線CSELにはLレベル電位VL_CSELが与えられたままであり、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96はオフの状態を維持する。配線WLaにはHレベル電位VH_WLが与えられたままであり、メモリセル11aにおいてトランジスタ12はオンの状態を維持する。よって、メモリセル11aでは、配線BLaの電位VH_SPに応じた電荷が、容量素子13に蓄積される。 In the period T3, the L-level potential VL_PL is still applied to the wiring PCL, and the transistors 97 to 99 are kept off in the precharge circuit 34. In addition, the L-level potential VL_CSEL is still applied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 are kept off in the switch circuit 33. The H-level potential VH_WL is still applied to the wiring WLa, and the transistor 12 is kept on in the memory cell 11a. Therefore, in the memory cell 11a, electric charge corresponding to the potential VH_SP of the wiring BLa is accumulated in the capacitor 13.

次いで、期間T4では、配線CSELに与える電位を制御することで、スイッチ回路33をオンにする。具体的に、図39では、配線CSELにHレベル電位VH_CSELを与え、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96をオンにする。これにより、配線BLaの電位が配線GBLaに供給され、配線BLbの電位が配線GBLbに供給される。 Next, in the period T4, the switch circuit 33 is turned on by controlling the potential applied to the wiring CSEL. Specifically, in FIG. 39, the H level potential VH_CSEL is applied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 are turned on in the switch circuit 33. Accordingly, the potential of the wiring BLa is supplied to the wiring GBLa, and the potential of the wiring BLb is supplied to the wiring GBLb.

なお、期間T4では、配線PCLにはLレベル電位VL_PLが与えられたままであり、プリチャージ回路34においてトランジスタ97乃至トランジスタ99はオフの状態を維持する。また、配線WLaにはHレベル電位VH_WLが与えられたままであり、メモリセル11aにおいてトランジスタ12はオンの状態を維持する。配線SPにはHレベル電位VH_SPが与えられたままであり、配線SNにはLレベル電位VL_SPが与えられたままであり、増幅回路32はオンの状態を維持する。よって、メモリセル11aでは、配線BLaの電位VH_SPに応じた電荷が、容量素子13に蓄積されたままである。 Note that in the period T4, the L-level potential VL_PL is still applied to the wiring PCL, and the transistors 97 to 99 in the precharge circuit 34 are kept off. Further, the H-level potential VH_WL is still applied to the wiring WLa, and the transistor 12 is kept on in the memory cell 11a. The wiring SP remains supplied with the H level potential VH_SP, and the wiring SN remains supplied with the L level potential VL_SP, so that the amplifier circuit 32 is kept on. Therefore, in the memory cell 11a, the charge corresponding to the potential VH_SP of the wiring BLa is still accumulated in the capacitor 13.

期間T4が終了すると、配線CSELに与える電位を制御することで、スイッチ回路33をオフにする。具体的に、図39では、配線CSELにLレベル電位VL_CSELを与え、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96をオフにする。 When the period T4 ends, the switch circuit 33 is turned off by controlling the potential applied to the wiring CSEL. Specifically, in FIG. 39, the L-level potential VL_CSEL is applied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 are turned off in the switch circuit 33.

また、期間T4が終了すると、配線WLaの選択は終了する。具体的に、図39では、配線WLaにLレベル電位VL_WLを与えることで、配線WLaを非選択の状態にし、メモリセル11aにおいてトランジスタ12をオフにする。上記動作により、配線BLaの電位VH_SPに応じた電荷が、容量素子13において保持されるため、データの読み出しが行われた後も、上記データがメモリセル11aにおいて保持されることとなる。 In addition, when the period T4 ends, the selection of the wiring WLa ends. Specifically, in FIG. 39, by applying the L-level potential VL_WL to the wiring WLa, the wiring WLa is deselected, and the transistor 12 is turned off in the memory cell 11a. Through the above operation, charge corresponding to the potential VH_SP of the wiring BLa is held in the capacitor 13; thus, the data is held in the memory cell 11a even after data is read.

上述した期間T1乃至期間T4における動作により、メモリセル11aからのデータの読み出しが行われる。そして、メモリセル11bからのデータの読み出しも、同様に行うことができる。 Data is read from the memory cell 11a by the operations in the above-described periods T1 to T4. Data can be read from the memory cell 11b in the same manner.

なお、メモリセル11aおよびメモリセル11bへのデータの書き込みは、上記と同様の原理で行うことができる。具体的には、データの読み出しを行う場合と同様に、まず、プリチャージ回路34が有するトランジスタ97乃至トランジスタ99を一時的にオンにして、配線BLaおよび配線BLbの電位を初期化しておく。次いで、データの書き込みを行いたいメモリセル11aと接続された配線WLa、またはメモリセル11bと接続された配線WLbを選択し、メモリセル11aまたはメモリセル11bにおいてトランジスタ12をオンにする。上記動作により、配線BLaまたは配線BLbと、容量素子13とが、トランジスタ12を介して導通状態になる。次いで、配線SPにHレベル電位VH_SPを与え、配線SNにLレベル電位VL_SNを与えることで、増幅回路32をオンにする。次いで、配線CSELに与える電位を制御することで、スイッチ回路33をオンにする。具体的には、配線CSELにHレベル電位VH_CSELを与え、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96をオンにする。上記構成により、配線BLaと配線GBLaとが導通状態となり、配線BLbと配線GBLbとが導通状態となる。そして、配線GBLs、配線GBLbのそれぞれに書き込み電位を与えることで、スイッチ回路33を介して配線BLaおよび配線BLbに書き込み電位が与えられる。上記動作により、配線BLaまたは配線BLbの電位に従い容量素子13に電荷が蓄積され、メモリセル11aまたはメモリセル11bにデータが書き込まれる。 Note that data can be written to the memory cell 11a and the memory cell 11b on the same principle as described above. Specifically, as in the case of reading data, first, the transistors 97 to 99 included in the precharge circuit 34 are temporarily turned on to initialize the potentials of the wiring BLa and the wiring BLb. Next, the wiring WLa connected to the memory cell 11a to which data is to be written or the wiring WLb connected to the memory cell 11b is selected, and the transistor 12 is turned on in the memory cell 11a or the memory cell 11b. Through the above operation, the wiring BLa or the wiring BLb and the capacitor 13 are brought into conduction through the transistor 12. Next, the amplifier circuit 32 is turned on by applying the H level potential VH_SP to the wiring SP and the L level potential VL_SN to the wiring SN. Next, the switch circuit 33 is turned on by controlling the potential applied to the wiring CSEL. Specifically, the H level potential VH_CSEL is applied to the wiring CSEL, and the transistor 95 and the transistor 96 are turned on in the switch circuit 33. With the above structure, the wiring BLa and the wiring GBLa are brought into conduction, and the wiring BLb and the wiring GBLb are brought into conduction. Then, by applying a writing potential to each of the wiring GBLs and the wiring GBLb, the writing potential is applied to the wiring BLa and the wiring BLb through the switch circuit 33. Through the above operation, electric charge is accumulated in the capacitor 13 in accordance with the potential of the wiring BLa or the wiring BLb, and data is written in the memory cell 11a or the memory cell 11b.

なお、配線BLaに配線GBLaの電位が与えられ、配線BLbに配線GBLbの電位が与えられた後は、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96をオフにしても、センスアンプ31がオンの状態にあるならば、配線BLaの電位と配線BLbの電位の高低の関係は、増幅回路32により保持される。よって、スイッチ回路33においてトランジスタ95およびトランジスタ96をオンからオフに変更するタイミングは、配線WLaを選択する前であっても、後であっても、どちらでも良い。 Note that after the potential of the wiring GBLa is applied to the wiring BLa and the potential of the wiring GBLb is applied to the wiring BLb, even if the transistor 95 and the transistor 96 are turned off in the switch circuit 33, the sense amplifier 31 is turned on. If there is, the relationship between the potential of the wiring BLa and the potential of the wiring BLb is held by the amplifier circuit 32. Therefore, the timing at which the transistor 95 and the transistor 96 are changed from on to off in the switch circuit 33 may be before or after the wiring WLa is selected.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成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 the structures described in the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したOSトランジスタを有する複数の回路を有する半導体装置の一例について、図40乃至図46を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a semiconductor device including a plurality of circuits each including the OS transistor described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

図40(A)は、半導体装置900のブロック図である。半導体装置900は、電源回路901、回路902、電位生成回路903、回路904、電位生成回路905および回路906を有する。 FIG. 40A is a block diagram of the semiconductor device 900. FIG. The semiconductor device 900 includes a power supply circuit 901, a circuit 902, a potential generation circuit 903, a circuit 904, a potential generation circuit 905, and a circuit 906.

電源回路901は、基準となる電位VORGを生成する回路である。電位VORGは、単一の電位ではなく、複数の電位でもよい。電位VORGは、半導体装置900の外部から与えられる電位Vを基に生成することができる。半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電位を基に電位VORGを生成できる。そのため半導体装置900は、外部から電源電位を複数与えることなく動作することができる。 The power supply circuit 901 is a circuit that generates a reference potential V ORG . The potential V ORG may be a plurality of potentials instead of a single potential. The potential V ORG can be generated based on the potential V 0 supplied from the outside of the semiconductor device 900. The semiconductor device 900 can generate the potential V ORG based on a single power supply potential given from the outside. Therefore, the semiconductor device 900 can operate without applying a plurality of power supply potentials from the outside.

回路902、回路904および回路906は、異なる電源電位で動作する回路である。例えば回路902の電源電位は、電位VORGと電位VSS(VORG>VSS)とによって印加される電位である。また、例えば回路904の電源電位は、電位VPOGと電位VSS(VPOG>VORG)とによって印加される電位である。また、例えば回路906の電源電位は、電位VORGと電位VNEG(VORG>VSS>VNEG)とによって印加される電位である。なお電位VSSは接地電位とすれば、電源回路901で生成する電位の種類を削減できる。 The circuits 902, 904, and 906 are circuits that operate with different power supply potentials. For example, the power supply potential of the circuit 902 is a potential applied by the potential V ORG and the potential V SS (V ORG > V SS ). For example, the power supply potential of the circuit 904 is a potential applied by the potential V POG and the potential V SS (V POG > V ORG ). For example, the power supply potential of the circuit 906 is a potential applied by the potential V ORG and the potential V NEG (V ORG > V SS > V NEG ). Note that if the potential VSS is a ground potential, the types of potentials generated by the power supply circuit 901 can be reduced.

電位生成回路903は、電位VPOGを生成する回路である。電位生成回路903は、電源回路901から与えられる電位VORGを基に電位VPOGを生成できる。そのため、回路904を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電位を基に動作することができる。 The potential generation circuit 903 is a circuit that generates a potential VPOG . The potential generation circuit 903 can generate the potential V POG based on the potential V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 904 can operate based on a single power supply potential supplied from the outside.

電位生成回路905は、電位VNEGを生成する回路である。電位生成回路905は、電源回路901から与えられる電位VORGを基に電位VNEGを生成できる。そのため、回路906を有する半導体装置900は、外部から与えられる単一の電源電位を基に動作することができる。 The potential generation circuit 905 is a circuit that generates a potential V NEG . The potential generation circuit 905 can generate the potential V NEG based on the potential V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 906 can operate based on a single power supply potential supplied from the outside.

図40(B)は電位VPOGで動作する回路904の一例、図40(C)は回路904を動作させるための信号の波形の一例である。 FIG. 40B illustrates an example of a circuit 904 that operates at the potential V POG , and FIG. 40C illustrates an example of a waveform of a signal for operating the circuit 904.

図40(B)では、トランジスタ911を示している。トランジスタ911のゲートに与える信号は、例えば、電位VPOGと電位VSSを基に生成される。当該信号は、トランジスタ911を導通状態とする動作時に電位VPOG、非導通状態とする動作時に電位VSSとする。電位VPOGは、図40(C)に図示するように、電位VORGより大きい。そのため、トランジスタ911は、ソース(S)とドレイン(D)との間を導通状態とする動作を、より確実に行うことができる。その結果、回路904は、誤動作が低減された回路とすることができる。 In FIG. 40B, the transistor 911 is illustrated. Signal applied to the gate of the transistor 911 is generated, for example, based on the potential V POG and the potential V SS. The signal is set to a potential V SS during operation of the conductive state of transistor 911 potential V POG, during operation of the non-conductive state. The potential V POG is higher than the potential V ORG as illustrated in FIG. Therefore, the transistor 911 can more reliably perform an operation of bringing the source (S) and the drain (D) into conduction. As a result, the circuit 904 can be a circuit in which malfunctions are reduced.

図40(D)は電位VNEGで動作する回路906の一例、図40(E)は回路906を動作させるための信号の波形の一例である。 FIG. 40D illustrates an example of a circuit 906 that operates at the potential V NEG , and FIG. 40E illustrates an example of a waveform of a signal for operating the circuit 906.

図40(D)では、トランジスタ912を示している。トランジスタ912のゲートに与える信号は、例えば、電位VORGと電位VSSを基にして生成される。当該信号は、トランジスタ911を導通状態とする動作時に電位VORG、非導通状態とする動作時に電位VSSとする。また、トランジスタ912のバックゲートに与える電位は、電位VNEGを基に生成される。電位VNEGは、図40(E)に図示するように、電位VSSより小さい。そのため、トランジスタ912のしきい値電位は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ912をより確実に非導通状態とすることができ、ソース(S)とドレイン(D)との間を流れる電流を小さくできる。その結果、回路906は、誤動作が低減され、かつ低消費電力化が図られた回路とすることができる。 In FIG. 40D, the transistor 912 is illustrated. Signal applied to the gate of the transistor 912, for example, generated based on the potential V ORG and the potential V SS. The signal is set to a potential V SS during operation of the transistor 911 in a conducting state potential V ORG, during operation of the non-conductive state. The potential applied to the back gate of the transistor 912 is generated based on the potential V NEG . Potential V NEG, as shown in FIG. 40 (E), less than the potential V SS. Therefore, the threshold potential of the transistor 912 can be controlled to shift positively. Therefore, the transistor 912 can be more reliably turned off, and the current flowing between the source (S) and the drain (D) can be reduced. As a result, the circuit 906 can be a circuit in which malfunctions are reduced and power consumption is reduced.

なお電位VNEGは、トランジスタ912のバックゲートに直接与える構成としてもよい。あるいは、電位VORGと電位VNEGを基に、トランジスタ912のゲートに与える信号を生成し、当該信号をトランジスタ912のバックゲートに与える構成としてもよい。 Note that the potential V NEG may be directly applied to the back gate of the transistor 912. Alternatively, a signal to be supplied to the gate of the transistor 912 may be generated based on the potential V ORG and the potential V NEG and the signal may be supplied to the back gate of the transistor 912.

また図41(A)、(B)には、図40(D)、(E)の変形例を示す。 41A and 41B show modifications of FIGS. 40D and 40E.

図41(A)に示す回路図では、電位生成回路905と、回路906と、の間に制御回路921によって導通状態が制御できるトランジスタ922を示す。トランジスタ922は、nチャネル型のOSトランジスタとする。制御回路921が出力する制御信号SBGは、トランジスタ922の導通状態を制御する信号である。また回路906が有するトランジスタ912aおよびトランジスタ912bは、トランジスタ922と同じOSトランジスタである。 In the circuit diagram illustrated in FIG. 41A, a transistor 922 whose conduction state can be controlled by the control circuit 921 between the potential generation circuit 905 and the circuit 906 is illustrated. The transistor 922 is an n-channel OS transistor. Control signal S BG control circuit 921 is output a signal for controlling the conduction state of the transistor 922. A transistor 912a and a transistor 912b included in the circuit 906 are the same OS transistors as the transistor 922.

図41(B)のタイミングチャートには、制御信号SBGと、トランジスタ912aおよびトランジスタ912bのバックゲートの電位の状態をノードNBGの電位の変化で示す。制御信号SBGがハイレベルのときにトランジスタ922が導通状態となり、ノードNBGが電位VNEGとなる。その後、制御信号SBGがローレベルのときにノードNBGが電気的にフローティングとなる。トランジスタ922は、OSトランジスタであるため、オフ電流が小さい。そのため、ノードNBGが電気的にフローティングであっても、一旦与えた電位VNEGを保持することができる。 The timing chart of FIG. 41 (B) shows a control signal S BG, the state of the potential of the back gate of the transistor 912a and the transistor 912b by a change in the potential of the node N BG. Control signal S BG is transistor 922 in a conducting state at the high level, the node N BG is a potential V NEG. Thereafter, when the control signal SBG is at a low level, the node NBG becomes electrically floating. Since the transistor 922 is an OS transistor, the off-state current is small. Therefore, even if the node NBG is electrically floating, the potential V NEG once applied can be held.

また図42(A)には、上述した電位生成回路903に適用可能な回路構成の一例を示す。図42(A)に示す電位生成回路903は、ダイオードD1乃至ダイオードD5、容量素子C1乃至容量素子C5、およびインバータINVを有する5段のチャージポンプである。クロック信号CLKは、容量素子C1乃至容量素子C5に直接、あるいはインバータINVを介して与えられる。インバータINVの電源電位を、電位VORGと電位VSSとによって印加される電位とすると、クロック信号CLKによって、電位VORGの5倍の正電位に昇圧された電位VPOGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至ダイオードD5の順方向電位は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電位VPOGを得ることができる。 FIG. 42A illustrates an example of a circuit configuration which can be applied to the potential generation circuit 903 described above. A potential generation circuit 903 illustrated in FIG. 42A is a five-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV. The clock signal CLK is supplied to the capacitor C1 to the capacitor C5 directly or via the inverter INV. When the power supply potential of the inverter INV is a potential applied by the potential V ORG and the potential V SS , the potential V POG that is boosted to a positive potential five times the potential V ORG can be obtained by the clock signal CLK. The forward potential of the diodes D1 to D5 is 0V. In addition, a desired potential V POG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.

また図42(B)には、上述した電位生成回路905に適用可能な回路構成の一例を示す。図42(B)に示す電位生成回路905は、ダイオードD1乃至ダイオードD5、容量素子C1乃至容量素子C5、およびインバータINVを有する4段のチャージポンプである。クロック信号CLKは、容量素子C1乃至容量素子C5に直接、あるいはインバータINVを介して与えられる。インバータINVの電源電位を、電位VORGと電位VSSとによって印加される電位とすると、クロック信号CLKによって、電位VSSから電位VORGの4倍の負電位に降圧された電位VNEGを得ることができる。なお、ダイオードD1乃至ダイオードD5の順方向電位は0Vとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電位VNEGを得ることができる。 FIG. 42B illustrates an example of a circuit configuration that can be applied to the potential generation circuit 905 described above. A potential generation circuit 905 illustrated in FIG. 42B is a four-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV. The clock signal CLK is supplied to the capacitor C1 to the capacitor C5 directly or via the inverter INV. When the power supply potential of the inverter INV is a potential applied by the potential V ORG and the potential V SS , a potential V NEG that is stepped down from the potential V SS to a negative potential four times the potential V ORG is obtained by the clock signal CLK. be able to. The forward potential of the diodes D1 to D5 is 0V. Further, a desired potential V NEG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.

なお上述した電位生成回路903の回路構成は、図42(A)で示す回路図の構成に限らない。電位生成回路903の変形例を図43(A)、(B)、(C)および図44に示す。 Note that the circuit configuration of the above-described potential generation circuit 903 is not limited to the configuration of the circuit diagram illustrated in FIG. Modified examples of the potential generation circuit 903 are illustrated in FIGS. 43A, 43B, and 43, and FIG.

図43(A)に示す電位生成回路903aは、トランジスタM1乃至トランジスタM10、容量素子C11乃至容量素子C14、およびインバータINV1を有する。クロック信号CLKは、トランジスタM1乃至トランジスタM10のゲートに直接、あるいはインバータINV1を介して与えられる。クロック信号CLKによって、電位VORGの4倍の正電位に昇圧された電位VPOGを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電位VPOGを得ることができる。図43(A)に示す電位生成回路903aは、トランジスタM1乃至トランジスタM10をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、容量素子C11乃至容量素子C14に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電位VORGから電位VPOGへの昇圧を図ることができる。 A potential generation circuit 903a illustrated in FIG. 43A includes transistors M1 to M10, capacitors C11 to C14, and an inverter INV1. The clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M1 to M10 or via the inverter INV1. With the clock signal CLK, a potential V POG boosted to a positive potential four times the potential V ORG can be obtained. Note that a desired potential V POG can be obtained by changing the number of stages. The potential generation circuit 903a illustrated in FIG. 43A can reduce off-state current by using the transistors M1 to M10 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C11 to C14. Therefore, it is possible to efficiently boost the potential V ORG to the potential V POG .

また図43(B)に示す電位生成回路903bは、トランジスタM11乃至トランジスタM14、容量素子C15、容量素子C16、およびインバータINV2を有する。クロック信号CLKは、トランジスタM11乃至トランジスタM14のゲートに直接、あるいはインバータINV2を介して与えられる。クロック信号CLKによって、電位VORGの2倍の正電位に昇圧された電位VPOGを得ることができる。図43(B)に示す電位生成回路903bは、トランジスタM11乃至トランジスタM14をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、容量素子C15および容量素子C16に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電位VORGから電位VPOGへの昇圧を図ることができる。 A potential generation circuit 903b illustrated in FIG. 43B includes transistors M11 to M14, a capacitor C15, a capacitor C16, and an inverter INV2. The clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M11 to M14 or via the inverter INV2. With the clock signal CLK, a potential V POG that is boosted to a positive potential that is twice the potential V ORG can be obtained. The potential generation circuit 903b illustrated in FIG. 43B can reduce off-state current by using the transistors M11 to M14 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitor C15 and the capacitor C16. Therefore, it is possible to efficiently boost the potential V ORG to the potential V POG .

また図43(C)に示す電位生成回路903cは、インダクタIND1、トランジスタM15、ダイオードD6、および容量素子C17を有する。トランジスタM15は、制御信号ENによって、導通状態が制御される。制御信号ENによって、電位VORGが昇圧された電位VPOGを得ることができる。図43(C)に示す電位生成回路903cは、インダクタIND1を用いて電位の昇圧を行うため、変換効率の高い電位の昇圧を行うことができる。 A potential generation circuit 903c illustrated in FIG. 43C includes an inductor IND1, a transistor M15, a diode D6, and a capacitor C17. The conduction state of the transistor M15 is controlled by the control signal EN. A potential V POG obtained by boosting the potential V ORG can be obtained by the control signal EN. Since the potential generation circuit 903c illustrated in FIG. 43C uses the inductor IND1 to increase the potential, the potential generation circuit 903c can increase the potential with high conversion efficiency.

また図44に示す電位生成回路903dは、図42(A)に示す電位生成回路903のダイオードD1乃至ダイオードD5をダイオード接続したトランジスタM16乃至トランジスタM20に置き換えた構成に相当する。図44に示す電位生成回路903dは、トランジスタM16乃至トランジスタM20をOSトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、容量素子C1乃至容量素子C5に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電位VORGから電位VPOGへの昇圧を図ることができる。 A potential generation circuit 903d illustrated in FIG. 44 corresponds to a structure in which the diodes D1 to D5 of the potential generation circuit 903 illustrated in FIG. 42A are replaced with diode-connected transistors M16 to M20. The potential generation circuit 903d illustrated in FIG. 44 can reduce off-state current by using the transistors M16 to M20 as OS transistors, and can suppress leakage of charge held in the capacitors C1 to C5. Therefore, it is possible to efficiently boost the potential V ORG to the potential V POG .

なお電位生成回路903の変形例は、図42(B)に示した電位生成回路905にも適用可能である。この場合の回路図の構成を図45(A)、(B)、(C)および図45に示す。図45(A)に示す電位生成回路905aは、クロック信号CLKによって、電位VSSから電位VORGの3倍の負電位に降圧された電位VNEGを得ることができる。また図36(B)に示す電位生成回路905bは、クロック信号CLKによって、電位VSSから電位VORGの2倍の負電位に降圧された電位VNEGを得ることができる。 Note that a modification of the potential generation circuit 903 can be applied to the potential generation circuit 905 illustrated in FIG. The structure of the circuit diagram in this case is shown in FIGS. 45 (A), (B), (C) and FIG. Potential generating circuit 905a shown in FIG. 45 (A) is the clock signal CLK, and it is possible to obtain the potential V NEG stepped down from the potential V SS to 3 times the negative potential of V ORG. The potential generating circuit 905b which shown in FIG. 36 (B) is the clock signal CLK, and it is possible to obtain the potential V NEG stepped down from the potential V SS to twice the negative potential of V ORG.

図45(A)、(B)、(C)および図46に示す電位生成回路905a乃至電位生成回路905dでは、図43(A)、(B)、(C)および図44に示す電位生成回路903a乃至電位生成回路903dにおいて、各配線に与える電位を変更すること、あるいは素子の配置を変更した構成に相当する。図45(A)、(B)、(C)および図46は、電位生成回路905a乃至電位生成回路905dと同様に、効率的に電位VORGから電位VNEGへの降圧を図ることができる。 In the potential generation circuits 905a to 905d shown in FIGS. 45 (A), (B), (C) and FIG. 46, the potential generation circuits shown in FIGS. 43 (A), (B), (C) and FIG. This corresponds to a structure in which the potential applied to each wiring is changed or the arrangement of elements is changed in 903a to 903d. 45A, 45B, 46C, and 46, as in the case of the potential generation circuits 905a to 905d, can be efficiently reduced from the potential V ORG to the potential V NEG .

以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電位を内部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電位の種類を削減できる。 As described above, in the structure of this embodiment mode, a potential necessary for a circuit included in the semiconductor device can be generated internally. Therefore, the semiconductor device can reduce the type of power supply potential applied from the outside.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施の形態5)
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置について、図47および図48を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a display device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<表示装置の構成>
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子(液晶表示素子ともいう。)、発光素子(発光表示素子ともいう。)などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機EL(Electroluminescence)、有機ELなどを含む。以下では、表示装置の一例としてEL素子を用いた表示装置(EL表示装置)および液晶素子を用いた表示装置(液晶表示装置)について説明する。
<Configuration of display device>
As a display element used for the display device, a liquid crystal element (also referred to as a liquid crystal display element), a light-emitting element (also referred to as a light-emitting display element), or the like can be used. The light-emitting element includes, in its category, an element whose luminance is controlled by current or voltage, and specifically includes inorganic EL (Electroluminescence), organic EL, and the like. Hereinafter, a display device using an EL element (an EL display device) and a display device using a liquid crystal element (a liquid crystal display device) will be described as examples of the display device.

なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むICなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。 Note that a display device described below includes a panel in which a display element is sealed, and a module in which an IC or the like including a controller is mounted on the panel.

また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源(照明装置含む)を指す。また、コネクター、例えばFPC、TCPが取り付けられたモジュール、TCPの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にCOG方式によりIC(集積回路)が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。 The display device described below refers to an image display device or a light source (including a lighting device). The display device includes all connectors, for example, a module to which FPC and TCP are attached, a module having a printed wiring board at the end of TCP, or a module in which an IC (integrated circuit) is directly mounted on a display element by a COG method.

図47は、本発明の一態様に係るEL表示装置の一例である。図47(A)に、EL表示装置の画素の回路図を示す。図47(B)は、EL表示装置全体を示す上面図である。また、図47(C)は、図47(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するM−N断面である。 FIG. 47 illustrates an example of an EL display device according to one embodiment of the present invention. FIG. 47A shows a circuit diagram of a pixel of an EL display device. FIG. 47B is a top view showing the entire EL display device. FIG. 47C is an MN cross section corresponding to part of the dashed-dotted line MN in FIG.

図47(A)は、EL表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。 FIG. 47A is an example of a circuit diagram of a pixel used in the EL display device.

なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, a person skilled in the art can connect all terminals of an active element (a transistor, a diode, etc.), a passive element (a capacitor element, a resistance element, etc.) without specifying connection destinations. Thus, it may be possible to constitute an aspect of the invention. That is, it can be said that one aspect of the invention is clear without specifying the connection destination. And, when the content specifying the connection destination is described in this specification etc., it is possible to determine that one aspect of the invention that does not specify the connection destination is described in this specification etc. There is. In particular, when a plurality of locations are assumed as the connection destination of the terminal, it is not necessary to limit the connection destination of the terminal to a specific location. Therefore, it is possible to constitute one embodiment of the present invention by specifying connection destinations of only some terminals of active elements (transistors, diodes, etc.) and passive elements (capacitance elements, resistance elements, etc.). There are cases.

なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。 Note that in this specification and the like, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the connection portion of a circuit is specified. Alternatively, it may be possible for those skilled in the art to specify the invention when at least the function of a circuit is specified. That is, if the function is specified, it can be said that one aspect of the invention is clear. Then, it may be possible to determine that one embodiment of the invention whose function is specified is described in this specification and the like. Therefore, if a connection destination is specified for a certain circuit without specifying a function, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. Alternatively, if a function is specified for a certain circuit without specifying a connection destination, the circuit is disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention.

図47(A)に示すEL表示装置は、スイッチ素子743と、トランジスタ741と、容量素子742と、発光素子719と、を有する。 An EL display device illustrated in FIG. 47A includes a switch element 743, a transistor 741, a capacitor 742, and a light-emitting element 719.

なお、図47(A)などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図47(A)の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。 Note that FIG. 47A and the like illustrate an example of a circuit configuration, and thus transistors can be added. On the other hand, it is also possible not to add a transistor, a switch, a passive element, or the like at each node in FIG.

トランジスタ741のゲートはスイッチ素子743の一端および容量素子742の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のソースは容量素子742の他方の電極と電気的に接続され、発光素子719の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ741のソースは電源電位VDDが与えられる。スイッチ素子743の他端は信号線744と電気的に接続される。発光素子719の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位GNDまたはそれより小さい電位とする。 A gate of the transistor 741 is electrically connected to one end of the switch element 743 and one electrode of the capacitor 742. A source of the transistor 741 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 742 and electrically connected to one electrode of the light-emitting element 719. The source of the transistor 741 is supplied with the power supply potential VDD. The other end of the switch element 743 is electrically connected to the signal line 744. A constant potential is applied to the other electrode of the light-emitting element 719. Note that the constant potential is set to the ground potential GND or lower.

スイッチ素子743としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いEL表示装置とすることができる。また、スイッチ素子743として、トランジスタ741と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、EL表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ741または/およびスイッチ素子743としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。 As the switch element 743, a transistor is preferably used. By using a transistor, the area of a pixel can be reduced and an EL display device with high resolution can be obtained. In addition, when a transistor manufactured through the same process as the transistor 741 is used as the switch element 743, the productivity of the EL display device can be increased. Note that as the transistor 741 and / or the switch element 743, for example, the above-described transistor can be used.

図47(B)は、EL表示装置の上面図である。EL表示装置は、基板700と、基板750と、シール材734と、駆動回路735と、駆動回路736と、画素737と、FPC732と、を有する。シール材734は、画素737、駆動回路735および駆動回路736を囲むように基板700と基板750との間に配置される。なお、駆動回路735または/および駆動回路736をシール材734の外側に配置しても構わない。 FIG. 47B is a top view of the EL display device. The EL display device includes a substrate 700, a substrate 750, a sealant 734, a driver circuit 735, a driver circuit 736, a pixel 737, and an FPC 732. The sealant 734 is disposed between the substrate 700 and the substrate 750 so as to surround the pixel 737, the drive circuit 735, and the drive circuit 736. Note that the drive circuit 735 and / or the drive circuit 736 may be disposed outside the sealant 734.

図47(C)は、図47(B)の一点鎖線M−Nの一部に対応するEL表示装置の断面図である。 FIG. 47C is a cross-sectional view of the EL display device corresponding to part of the dashed-dotted line MN in FIG.

トランジスタ741として、トランジスタ12と同様の構成のトランジスタを用いることができる。容量素子742として、容量素子13と同様の構成の容量素子を用いることができる。 A transistor having a structure similar to that of the transistor 12 can be used as the transistor 741. As the capacitor 742, a capacitor having a structure similar to that of the capacitor 13 can be used.

トランジスタ741および容量素子742上には、絶縁体720が配置される。絶縁体720上には、導電体781が配置される。導電体781は、絶縁体720の開口部を介してトランジスタ741と電気的に接続している。 An insulator 720 is provided over the transistor 741 and the capacitor 742. A conductor 781 is provided over the insulator 720. The conductor 781 is electrically connected to the transistor 741 through the opening of the insulator 720.

導電体781上には、導電体781に達する開口部を有する隔壁784が配置される。隔壁784上には、隔壁784の開口部で導電体781と接する発光層782が配置される。発光層782上には、導電体783が配置される。導電体781、発光層782および導電体783の重なる領域が、発光素子719となる。 A partition 784 having an opening reaching the conductor 781 is provided over the conductor 781. A light-emitting layer 782 that is in contact with the conductor 781 through the opening of the partition 784 is provided over the partition 784. A conductor 783 is provided over the light-emitting layer 782. A region where the conductor 781, the light emitting layer 782, and the conductor 783 overlap with each other serves as the light emitting element 719.

ここまでは、EL表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。 Up to this point, an example of an EL display device has been described. Next, an example of a liquid crystal display device will be described.

図48(A)は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図48に示す画素は、トランジスタ751と、容量素子752と、一対の電極間に液晶の充填された素子(液晶素子)753とを有する。 FIG. 48A is a circuit diagram illustrating a configuration example of a pixel of a liquid crystal display device. The pixel shown in FIG. 48 includes a transistor 751, a capacitor 752, and an element (liquid crystal element) 753 filled with liquid crystal between a pair of electrodes.

トランジスタ751として、トランジスタ12と同様の構成のトランジスタを用いることができる。容量素子752として、容量素子13と同様の構成の容量素子を用いることができる。 As the transistor 751, a transistor having a structure similar to that of the transistor 12 can be used. As the capacitor 752, a capacitor having a structure similar to that of the capacitor 13 can be used.

トランジスタ751では、ソース、又はドレインの一方が信号線755に電気的に接続され、ゲートが走査線754に電気的に接続されている。 In the transistor 751, one of a source and a drain is electrically connected to the signal line 755, and a gate is electrically connected to the scan line 754.

容量素子752では、一方の電極がトランジスタ751のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。 In the capacitor 752, one electrode is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 751, and the other electrode is electrically connected to a wiring for supplying a common potential.

液晶素子753では、一方の電極がトランジスタ751のソース、又はドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子752の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子753の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。 In the liquid crystal element 753, one electrode is electrically connected to the other of the source and the drain of the transistor 751, and the other electrode is electrically connected to a wiring for supplying a common potential. Note that the common potential applied to the wiring to which the other electrode of the capacitor 752 is electrically connected may be different from the common potential applied to the other electrode of the liquid crystal element 753.

なお、液晶表示装置も、上面図はEL表示装置と同様として説明する。図47(B)の一点鎖線M−Nに対応する液晶表示装置の断面図を図48(B)に示す。図48(B)において、FPC732は、端子731を介して配線733aと接続される。なお、配線733aは、トランジスタ751を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。 Note that the top view of the liquid crystal display device is the same as that of the EL display device. A cross-sectional view of the liquid crystal display device corresponding to the dashed-dotted line MN in FIG. 47B is illustrated in FIG. In FIG. 48B, the FPC 732 is connected to a wiring 733a through a terminal 731. Note that the wiring 733a may be formed using the same kind of conductor or semiconductor as the conductor or semiconductor included in the transistor 751.

トランジスタ751は、トランジスタ741についての記載を参照する。また、容量素子752は、容量素子742についての記載を参照する。なお、図48(B)には、図47(C)の容量素子742に対応した容量素子752の構造を示したが、これに限定されない。 The description of the transistor 741 is referred to for the transistor 751. For the capacitor 752, the description of the capacitor 742 is referred to. Note that FIG. 48B illustrates a structure of the capacitor 752 corresponding to the capacitor 742 in FIG. 47C; however, the structure is not limited thereto.

なお、トランジスタ751の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子752に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子753に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ751をオフ状態とすることで、トランジスタ751の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子752の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。 Note that in the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor of the transistor 751, a transistor with extremely low off-state current can be obtained. Therefore, the charge held in the capacitor 752 is unlikely to leak, and the voltage applied to the liquid crystal element 753 can be maintained for a long time. Therefore, when a moving image or a still image with little movement is displayed, the transistor 751 is turned off, so that power for the operation of the transistor 751 is not necessary and a liquid crystal display device with low power consumption can be obtained. In addition, since the area occupied by the capacitor 752 can be reduced, a liquid crystal display device with a high aperture ratio or a liquid crystal display device with high definition can be provided.

トランジスタ751および容量素子752上には、絶縁体720が配置される。絶縁体720上には、導電体791が配置される。導電体791は、絶縁体720の開口部を介してトランジスタ751と電気的に接続する。 An insulator 720 is provided over the transistor 751 and the capacitor 752. A conductor 791 is provided over the insulator 720. The conductor 791 is electrically connected to the transistor 751 through the opening of the insulator 720.

導電体791上には、配向膜として機能する絶縁体792が配置される。絶縁体792上には、液晶層793が配置される。液晶層793上には、配向膜として機能する絶縁体794が配置される。絶縁体794上には、スペーサ795が配置される。スペーサ795および絶縁体794上には、導電体796が配置される。導電体796上には、基板797が配置される。 An insulator 792 functioning as an alignment film is provided over the conductor 791. A liquid crystal layer 793 is provided over the insulator 792. An insulator 794 functioning as an alignment film is provided over the liquid crystal layer 793. A spacer 795 is provided over the insulator 794. A conductor 796 is provided over the spacer 795 and the insulator 794. A substrate 797 is provided over the conductor 796.

なお、液晶の駆動方式としては、TN(Twisted Nematic)モード、STN(Super Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、MVA(Multi−domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASV(Advanced Super View)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)モード、ゲストホストモード、ブルー相(Blue Phase)モードなどを用いることができる。ただし、これに限定されず、駆動方法として様々なものを用いることができる。 Liquid crystal driving methods include a TN (Twisted Nematic) mode, an STN (Super Twisted Nematic) mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, an FFS (Fringe Field Switching) mode, and an MVA (Multi-Antential Switching). Mode, PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, ASV (Advanced Super View) mode, ASM (Axial Symmetrically Coated MicroBell) mode, OCB (Optically Compensated BEC) mode ntrapped birefringence (FLC) mode, FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, AFLC (Antiferroelectric Liquid Crystal) mode, PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) mode, guest h mode, blue mode However, the present invention is not limited to this, and various driving methods can be used.

上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。 With the above structure, a display device including a capacitor with a small occupied area can be provided, or a display device with high display quality can be provided. Alternatively, a high-definition display device can be provided.

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。 For example, in this specification and the like, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. Can do. A display element, a display device, a light-emitting element, or a light-emitting device includes, for example, white, red, green, or blue light-emitting diodes (LEDs), transistors (transistors that emit light in response to current), electron-emitting devices, and liquid crystals Element, electronic ink, electrophoretic element, grating light valve (GLV), plasma display (PDP), display element using MEMS (micro electro mechanical system), digital micromirror device (DMD), DMS (digital Micro shutter), IMOD (interference modulation) element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display element, electrowetting element, piezoelectric ceramic display, carbon It has at least one of a display element using a tube. In addition to these, a display medium in which contrast, luminance, reflectance, transmittance, or the like is changed by an electric or magnetic action may be included.

EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。 An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), an SED type flat display (SED), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper. Note that in the case of realizing a transflective liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrode may have a function as a reflective electrode. For example, part or all of the pixel electrode may have aluminum, silver, or the like. Further, in that case, a memory circuit such as an SRAM can be provided under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced.

なお、LEDを用いる場合、LEDの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体などを設けて、LEDを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDが有するGaN半導体は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDが有するGaN半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。 In addition, when using LED, you may arrange | position graphene or graphite under the electrode and nitride semiconductor of LED. Graphene or graphite may be a multilayer film in which a plurality of layers are stacked. Thus, by providing graphene or graphite, a nitride semiconductor such as an n-type GaN semiconductor having a crystal can be easily formed thereon. Furthermore, a p-type GaN semiconductor having a crystal or the like can be provided thereon to form an LED. Note that an AlN layer may be provided between graphene or graphite and an n-type GaN semiconductor having a crystal. Note that the GaN semiconductor included in the LED may be formed by MOCVD. However, by providing graphene, the GaN semiconductor included in the LED can be formed by a sputtering method.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The structure described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures described in the other embodiments.

(実施の形態6)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置または記憶回路を電子部品に適用する例、および該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図49および図50を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device or the memory circuit described in the above embodiment is applied to an electronic component, and an example in which the semiconductor device or the memory circuit is applied to an electronic device including the electronic component are described with reference to FIGS. explain.

図49(A)では上述の実施の形態で説明した半導体装置または記憶回路を電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、またはIC用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。 FIG. 49A illustrates an example in which the semiconductor device or the memory circuit described in the above embodiment is applied to an electronic component. Note that the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package. This electronic component has a plurality of standards and names depending on the terminal take-out direction and the shape of the terminal. Therefore, in this embodiment, an example will be described.

上記実施の形態に示すようなトランジスタで構成される回路部は、組み立て工程(後工程)を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。 A circuit portion including a transistor as described in the above embodiment is completed by combining a plurality of detachable components with a printed circuit board through an assembly process (post-process).

後工程については、図49(A)に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成(ステップS1)した後、基板の裏面を研削する(ステップS2)。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。 The post-process can be completed through each process shown in FIG. Specifically, after the element substrate obtained in the previous process is completed (step S1), the back surface of the substrate is ground (step S2). This is because by reducing the thickness of the substrate at this stage, it is possible to reduce the warpage of the substrate in the previous process and to reduce the size of the component.

ステップS2完了後の半導体基板の構成を図49(B)に示す。図49(B)に示す基板1000は回路部1013を複数有し、またダイシング領域1020を有する。回路部1013は、本発明の一態様の半導体装置を有する。 FIG. 49B shows the structure of the semiconductor substrate after step S2. A substrate 1000 illustrated in FIG. 49B includes a plurality of circuit portions 1013 and a dicing region 1020. The circuit portion 1013 includes the semiconductor device of one embodiment of the present invention.

基板の裏面を研削した後、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う(ステップS3)。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。 After grinding the back surface of the substrate, a dicing process is performed to separate the substrate into a plurality of chips. Then, a die bonding process is performed in which the separated chips are individually picked up and mounted on the lead frame and bonded (step S3). For the bonding between the chip and the lead frame in this die bonding process, a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape. The die bonding step may be mounted on the interposer and bonded.

次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線(ワイヤー)で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う(ステップS4)。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。 Next, wire bonding is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected by a thin metal wire (wire) (step S4). A silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire. For wire bonding, ball bonding or wedge bonding can be used.

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される(ステップS5)。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。 The wire-bonded chip is sealed with an epoxy resin or the like and subjected to a molding process (step S5). By performing the molding process, the inside of the electronic component is filled with resin, which can reduce damage to the built-in circuit part and wires due to mechanical external force, and can reduce deterioration of characteristics due to moisture and dust. it can.

次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断および成形加工する(ステップS6)。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。 Next, the lead of the lead frame is plated. Then, the lead is cut and molded (step S6). By this plating treatment, rusting of the lead can be prevented, and soldering when mounting on a printed circuit board can be performed more reliably.

次いでパッケージの表面に印字処理(マーキング)を施す(ステップS7)。そして最終的な検査工程(ステップS8)を経て電子部品が完成する(ステップS9)。 Next, a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S7). An electronic component is completed through a final inspection process (step S8) (step S9).

以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置または記憶回路を含む構成とすることができる。そのため、消費電力の低減が図られた電子部品を実現することができる。 The electronic component described above can include the semiconductor device or the memory circuit described in the above embodiment. Therefore, an electronic component with reduced power consumption can be realized.

また、完成した電子部品の斜視模式図を図49(C)に示す。図49(C)では、電子部品の一例として、QFP(Quad Flat Package)の斜視模式図を示している。図49(C)に示す電子部品1010は、リード1011および回路部1013を示している。図49(C)に示す電子部品1010は、例えばプリント基板1012に実装される。このような電子部品1010が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板1012上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板1014は、電子機器等の内部に設けられる。 FIG. 49C is a schematic perspective view of the completed electronic component. FIG. 49C shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component. An electronic component 1010 shown in FIG. 49C shows a lead 1011 and a circuit portion 1013. An electronic component 1010 shown in FIG. 49C is mounted on a printed board 1012, for example. A plurality of such electronic components 1010 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 1012 so that the electronic component 1010 can be mounted inside the electronic device. The completed circuit board 1014 is provided inside an electronic device or the like.

また、本発明の一態様に係る半導体装置、記憶回路、電子部品は、表示機器、コンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。また、先の実施の形態に示す半導体装置をメモリチップに用い、これをパッケージングしてメインメモリのモジュール(例えばDRAMモジュールと代替できる機能を有するもの)にすることができる。 In addition, a semiconductor device, a memory circuit, and an electronic component according to one embodiment of the present invention can reproduce a recording medium such as a display device, a computer, and a recording medium (typically, a DVD: Digital Versatile Disc, It can be used for a device having a display capable of displaying the image. Here, the computer includes a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, and a large computer such as a server system. In addition, the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for a memory chip, and can be packaged to be a main memory module (for example, one having a function that can replace the DRAM module).

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、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機、医療機器などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図39に示す。 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 terminal, a video camera, a digital still camera, or the like, goggles Type display (head-mounted display), navigation system, sound playback device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer multifunction device, automatic teller machine (ATM), vending machine, medical equipment Etc. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図50(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体2001、筐体2002、表示部2003、表示部2004、マイクロホン2005、スピーカー2006、操作キー2007、スタイラス2008等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯型ゲーム機の各種集積回路に用いることができる。なお、図50(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部2003と表示部2004とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 50A illustrates a portable game machine including a housing 2001, a housing 2002, a display portion 2003, a display portion 2004, a microphone 2005, a speaker 2006, operation keys 2007, a stylus 2008, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of a portable game machine. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 50A includes the two display portions 2003 and 2004, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図50(B)は携帯情報端末であり、第1筐体2601、第2筐体2602、第1表示部2603、第2表示部2604、接続部2605、操作キー2606等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯情報端末の各種集積回路に用いることができる。第1表示部2603は第1筐体2601に設けられており、第2表示部2604は第2筐体2602に設けられている。そして、第1筐体2601と第2筐体2602とは、接続部2605により接続されており、第1筐体2601と第2筐体2602の間の角度は、接続部2605により変更が可能である。第1表示部2603における映像を、接続部2605における第1筐体2601と第2筐体2602との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部2603および第2表示部2604の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。 FIG. 50B illustrates a portable information terminal which includes a first housing 2601, a second housing 2602, a first display portion 2603, a second display portion 2604, a connection portion 2605, operation keys 2606, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of a portable information terminal. The first display portion 2603 is provided in the first housing 2601, and the second display portion 2604 is provided in the second housing 2602. The first housing 2601 and the second housing 2602 are connected by a connection portion 2605, and the angle between the first housing 2601 and the second housing 2602 can be changed by the connection portion 2605. is there. The video on the first display portion 2603 may be switched according to the angle between the first housing 2601 and the second housing 2602 in the connection portion 2605. Further, a display device to which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 2603 and the second display portion 2604 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図50(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体2401、表示部2402、キーボード2403、ポインティングデバイス2404等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ノート型パーソナルコンピュータの各種集積回路に用いることができる。 FIG. 50C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 2401, a display portion 2402, a keyboard 2403, a pointing device 2404, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of a notebook personal computer.

図50(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体2301、冷蔵室用扉2302、冷凍室用扉2303等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、電気冷凍冷蔵庫の各種集積回路に用いることができる。 FIG. 50D illustrates an electric refrigerator-freezer which includes a housing 2301, a refrigerator door 2302, a freezer door 2303, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of an electric refrigerator-freezer.

図50(E)はビデオカメラであり、第1筐体2801、第2筐体2802、表示部2803、操作キー2804、レンズ2805、接続部2806等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ビデオカメラの各種集積回路に用いることができる。操作キー2804およびレンズ2805は第1筐体2801に設けられており、表示部2803は第2筐体2802に設けられている。そして、第1筐体2801と第2筐体2802とは、接続部2806により接続されており、第1筐体2801と第2筐体2802の間の角度は、接続部2806により変更が可能である。表示部2803における映像を、接続部2806における第1筐体2801と第2筐体2802との間の角度に従って切り替える構成としても良い。 FIG. 50E illustrates a video camera, which includes a first housing 2801, a second housing 2802, a display portion 2803, operation keys 2804, a lens 2805, a connection portion 2806, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of a video camera. The operation key 2804 and the lens 2805 are provided in the first housing 2801, and the display portion 2803 is provided in the second housing 2802. The first housing 2801 and the second housing 2802 are connected by a connection portion 2806, and the angle between the first housing 2801 and the second housing 2802 can be changed by the connection portion 2806. is there. The video on the display portion 2803 may be switched according to the angle between the first housing 2801 and the second housing 2802 in the connection portion 2806.

図50(F)は乗用車であり、車体2101、車輪2102、ダッシュボード2103、ライト2104等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、乗用車の各種集積回路に用いることができる。 FIG. 50F illustrates a passenger car that includes a car body 2101, wheels 2102, a dashboard 2103, lights 2104, and the like. The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various integrated circuits of a passenger car.

本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。 The structures and methods described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

10 セルアレイ
11 メモリセル
11a メモリセル
11b メモリセル
12 トランジスタ
13 容量素子
15a 領域
15b 領域
16 層
30 センスアンプ回路
31 センスアンプ
31a センスアンプ
31b センスアンプ
31c センスアンプ
31d センスアンプ
32 増幅回路
33 スイッチ回路
34 プリチャージ回路
35 トランジスタ
36 層
40 記憶回路
51 メモリセル
52 トランジスタ
53 容量素子
55 トランジスタ
56 層
57 層
70 駆動回路
80 メインアンプ
90 入出力回路
91 トランジスタ
92 トランジスタ
93 トランジスタ
94 トランジスタ
95 トランジスタ
96 トランジスタ
97 トランジスタ
98 トランジスタ
99 トランジスタ
110 絶縁体
111 導電体
112 導電体
113 絶縁体
114 半導体
114a 絶縁体
114b 半導体
114c 絶縁体
115 導電体
116 導電体
117 絶縁体
118 導電体
119 絶縁体
120 絶縁体
121 絶縁体
124 導電体
125 導電体
126 絶縁体
130 基板
131 絶縁体
132 低抵抗領域
133 低抵抗領域
134 絶縁体
135 絶縁体
136 導電体
137 絶縁体
140 絶縁体
141 絶縁体
142 絶縁体
144 絶縁体
145 絶縁体
146 導電体
150 絶縁体
151 絶縁体
152 絶縁体
153 絶縁体
157 絶縁体
159 絶縁体
161 絶縁体
170 導電体
211 導電体
215 導電体
218 導電体
700 基板
719 発光素子
720 絶縁体
731 端子
732 FPC
733a 配線
734 シール材
735 駆動回路
736 駆動回路
737 画素
741 トランジスタ
742 容量素子
743 スイッチ素子
744 信号線
750 基板
751 トランジスタ
752 容量素子
753 液晶素子
754 走査線
755 信号線
781 導電体
782 発光層
783 導電体
784 隔壁
791 導電体
792 絶縁体
793 液晶層
794 絶縁体
795 スペーサ
796 導電体
797 基板
900 半導体装置
901 電源回路
902 回路
903 電位生成回路
903a 電位生成回路
903b 電位生成回路
903c 電位生成回路
903d 電位生成回路
904 回路
905 電位生成回路
905a 電位生成回路
905b 電位生成回路
905d 電位生成回路
906 回路
911 トランジスタ
912 トランジスタ
912a トランジスタ
912b トランジスタ
921 制御回路
922 トランジスタ
1000 基板
1010 電子部品
1011 リード
1012 プリント基板
1013 回路部
1014 回路基板
1020 ダイシング領域
2001 筐体
2002 筐体
2003 表示部
2004 表示部
2005 マイクロホン
2006 スピーカー
2007 操作キー
2008 スタイラス
2101 車体
2102 車輪
2103 ダッシュボード
2104 ライト
2301 筐体
2302 冷蔵室用扉
2303 冷凍室用扉
2401 筐体
2402 表示部
2403 キーボード
2404 ポインティングデバイス
2601 筐体
2602 筐体
2603 表示部
2604 表示部
2605 接続部
2606 操作キー
2801 筐体
2802 筐体
2803 表示部
2804 操作キー
2805 レンズ
2806 接続部
10 cell array 11 memory cell 11a memory cell 11b memory cell 12 transistor 13 capacitor 15a region 15b region 16 layer 30 sense amplifier circuit 31 sense amplifier 31a sense amplifier 31b sense amplifier 31c sense amplifier 31d sense amplifier 32 amplifier circuit 33 switch circuit 34 precharge Circuit 35 Transistor 36 Layer 40 Memory circuit 51 Memory cell 52 Transistor 53 Capacitor 55 Transistor 56 Layer 57 Layer 70 Drive circuit 80 Main amplifier 90 Input / output circuit 91 Transistor 92 Transistor 93 Transistor 94 Transistor 95 Transistor 96 Transistor 97 Transistor 98 Transistor 99 Transistor 110 Insulator 111 Conductor 112 Conductor 113 Insulator 114 Semiconductor 114a Insulator 1 4b Semiconductor 114c Insulator 115 Conductor 116 Conductor 117 Insulator 118 Conductor 119 Insulator 120 Insulator 121 Insulator 124 Conductor 125 Conductor 126 Insulator 130 Substrate 131 Insulator 132 Low resistance region 133 Low resistance region 134 Insulation Body 135 Insulator 136 Conductor 137 Insulator 140 Insulator 141 Insulator 142 Insulator 144 Insulator 145 Insulator 146 Conductor 150 Insulator 151 Insulator 152 Insulator 153 Insulator 157 Insulator 159 Insulator 161 Insulator 170 Conductor 211 Conductor 215 Conductor 218 Conductor 700 Substrate 719 Light emitting element 720 Insulator 731 Terminal 732 FPC
733a wiring 734 sealant 735 drive circuit 736 drive circuit 737 pixel 741 transistor 742 capacitor element 743 switch element 744 signal line 750 substrate 751 transistor 752 capacitor element 753 liquid crystal element 754 scan line 755 signal line 781 conductor 782 light emitting layer 783 conductor 784 Partition 791 Conductor 792 Insulator 793 Liquid crystal layer 794 Insulator 795 Spacer 796 Conductor 797 Substrate 900 Semiconductor device 901 Power supply circuit 902 Circuit 903 Potential generation circuit 903a Potential generation circuit 903b Potential generation circuit 903c Potential generation circuit 903d Potential generation circuit 904 circuit 905 potential generation circuit 905a potential generation circuit 905b potential generation circuit 905d potential generation circuit 906 circuit 911 transistor 912 transistor 912a transistor 912b Transistor 921 Control circuit 922 Transistor 1000 Board 1010 Electronic component 1011 Lead 1012 Printed board 1013 Circuit part 1014 Circuit board 1020 Dicing area 2001 Case 2002 Case 2003 Display part 2004 Display part 2005 Microphone 2006 Speaker 2007 Operation key 2008 Stylus 2101 Car body 2102 Wheel 2103 Dashboard 2104 Light 2301 Case 2302 Refrigerating room door 2303 Freezing room door 2401 Case 2402 Display unit 2403 Keyboard 2404 Pointing device 2601 Case 2602 Case 2603 Display unit 2604 Display unit 2605 Connection unit 2606 Operation key 2801 Case 2802 Housing 2803 Display unit 2804 Operation key 2805 Lens 2806 Connection unit

Claims (9)

トランジスタと、容量素子と、絶縁体と、を有し、
前記トランジスタはバックゲート電極と、酸化物半導体と、を有し、
前記容量素子は、第1の電極と、第2の電極と、を有し、
前記トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第1の電極と電気的に接続され、
前記バックゲート電極は、前記絶縁体の表面上に設けられ、
前記第2の電極は、前記絶縁体の表面上に設けられ、
前記第1の電極は、前記絶縁体を間に介して、前記第2の電極と重なる領域を有し、
前記バックゲート電極は、前記絶縁体を間に介して、前記酸化物半導体と重なる領域を有し、
前記バックゲート電極および前記第2の電極は、同一の材料で構成され、
前記絶縁体の表面から前記バックゲート電極の頂点までの高さは、前記絶縁体の表面から前記第2の電極の頂点までの高さと等しいことを特徴とする半導体装置。
A transistor, a capacitor, and an insulator;
The transistor includes a back gate electrode and an oxide semiconductor,
The capacitive element has a first electrode and a second electrode,
One of a source and a drain of the transistor is electrically connected to the first electrode;
The back gate electrode is provided on a surface of the insulator;
The second electrode is provided on a surface of the insulator;
The first electrode has a region overlapping the second electrode with the insulator interposed therebetween,
The back gate electrode has a region overlapping with the oxide semiconductor with the insulator interposed therebetween,
The back gate electrode and the second electrode are made of the same material,
The height from the surface of the insulator to the top of the back gate electrode is equal to the height from the surface of the insulator to the top of the second electrode.
請求項1において、
前記絶縁体の表面から前記バックゲート電極の頂点までの高さおよび、前記絶縁体の表面から前記第2の電極の頂点までの高さは100nm以上500nm以下であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The height from the surface of the insulator to the top of the back gate electrode and the height from the surface of the insulator to the top of the second electrode are 100 nm to 500 nm.
請求項1または2において、
前記トランジスタのソースまたはドレインの他方は上面から見て円状に設けられ、
前記トランジスタのソースまたはドレインの一方と、前記容量素子が有する前記第1の電極と、は上面から見て前記トランジスタのソースまたはドレインの他方の外側に設けられることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or 2,
The other of the source and the drain of the transistor is provided in a circular shape when viewed from above,
One of the source and the drain of the transistor and the first electrode of the capacitor are provided outside the other of the source and the drain of the transistor as viewed from above.
請求項3において、
前記トランジスタのソースまたはドレインの一方と、前記容量素子が有する前記第1の電極と、は上面から見て同心円状に設けられることを特徴とする半導体装置。
In claim 3,
One of the source and the drain of the transistor and the first electrode of the capacitor are provided concentrically as viewed from above.
請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記酸化物半導体は、インジウム、元素M(Ti、Ga、Y、Zr、La、Ce、Nd、SnまたはHf)、亜鉛および酸素を有する半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The oxide semiconductor is a semiconductor device including indium, element M (Ti, Ga, Y, Zr, La, Ce, Nd, Sn, or Hf), zinc, and oxygen.
トランジスタのバックゲート電極と、容量素子の電極の一方と、が同一の工程で形成されることを特徴とする半導体装置の作製方法。   A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a back gate electrode of a transistor and one of electrodes of a capacitor are formed in the same step. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置を複数個有し、
ダイシング用の領域を有する半導体基板。
A plurality of the semiconductor devices according to claim 1;
A semiconductor substrate having an area for dicing.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置を有する電子部品と、プリント基板と、を有する回路基板。   A circuit board comprising: an electronic component having the semiconductor device according to claim 1; and a printed board. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置または、請求項8に記載の回路基板と、表示部、マイクロホン、スピーカー、または操作キーと、を有する電子機器。   An electronic apparatus comprising the semiconductor device according to claim 1 or the circuit board according to claim 8, and a display unit, a microphone, a speaker, or an operation key.
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