JP2017055338A - Semiconductor device and electronic apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce power consumption; and provide an integrated semiconductor device; and provide a highly reliable semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device has a sample hold circuit and a first circuit. The first circuit has an amplifier; and the sample hold circuit has a buffer circuit, a first transistor with a channel length not less than 1 nm and not more than 500 nm, a second transistor, a first capacitive element and a second capacitive element. One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected with one electrode of the first capacitive element, one electrode of the second capacitive element and one of a source and a drain of the second transistor. The first transistor has a function of retaining charge in one of the source and the drain of the first transistor by being turned off. The buffer circuit has a function of being subjected to stoppage of power voltage supply after retaining charge.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の一態様は、半導体装置、及び電子機器に関する。   One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and an electronic 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。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。   Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field 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). Therefore, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically includes a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, an imaging device, a memory device, a driving method thereof, or a driving method thereof. A manufacturing method can be mentioned as an example.

なお、本明細書等において、半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子は半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路は、半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路を備えた装置は、半導体装置である。   Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to an element, a circuit, a device, or the like that can function by utilizing semiconductor characteristics. As an example, a semiconductor device such as a transistor or a diode is a semiconductor device. As another example, the circuit including a semiconductor element is a semiconductor device. As another example, a device including a circuit including a semiconductor element is a semiconductor device.

半導体特性を利用する半導体装置の一種である、アナログデジタル変換回路(以下、ADコンバータ)は、様々な装置に搭載されている。特許文献1は、消費電力を低減するADコンバータの構成について開示している。   An analog-digital conversion circuit (hereinafter referred to as an AD converter), which is a kind of semiconductor device that uses semiconductor characteristics, is mounted on various devices. Patent Document 1 discloses a configuration of an AD converter that reduces power consumption.

米国特許出願公開第2012/0112937号明細書US Patent Application Publication No. 2012/0112937

一般的に、ADコンバータは常に電源が供給されており、アナログデータを入力している間は、デジタルデータを出力し続ける。つまり、電源が供給されている間は、電力が消費され続けるということになる。   Generally, the AD converter is always supplied with power, and continues to output digital data while analog data is being input. That is, power is continuously consumed while power is supplied.

消費電力を低減するには、駆動する電圧を下げること、駆動する周波数を下げること、あるいは電源の供給を停止する期間を設けること、等の手段がある。しかしながら、駆動する電圧や周波数を下げることは、ADコンバータの分解能とサンプリングレートに直接関係があるため、性能の低下を招いてしまう。また、間欠的に電源の供給を停止することは、アナログデータを保持するためのフラッシュメモリを使用すれば可能であるものの、専用の高電圧生成回路や周辺回路が必要になるので、却って消費電力の増加を招いてしまう。   In order to reduce power consumption, there are means such as lowering the driving voltage, lowering the driving frequency, or providing a period for stopping the supply of power. However, lowering the driving voltage and frequency is directly related to the resolution of the AD converter and the sampling rate, leading to performance degradation. In addition, intermittent power supply can be stopped by using a flash memory for holding analog data, but a dedicated high-voltage generation circuit and peripheral circuits are required. Will increase.

本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な電子機器等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 novel semiconductor device, a novel electronic device, or the like.

または、本発明の一態様は、消費電力を低減できる、新規な構成の半導体装置等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、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下しない、新規な構成の半導体装置等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、アナログデータを保持するための、専用の高電圧生成回路や周辺回路が必要とすることのない、新規な構成の半導体装置等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 semiconductor device or the like with a novel structure that can reduce power consumption. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like having a novel structure that does not deteriorate the performance of an AD converter, such as resolution and sampling rate. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device or the like having a novel structure that does not require a dedicated high-voltage generation circuit or peripheral circuit for holding analog data. To do.

または、本発明の一態様は、集積化された半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。   Another object of one embodiment of the present invention is to provide an integrated semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device.

なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び/又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。   Note that the problems of one embodiment of the present invention are not limited to the problems listed above. The problems listed above do not disturb the existence of other problems. Other issues are issues not mentioned in this section, which are described in the following description. Problems not mentioned in this item can be derived from descriptions of the specification or drawings by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. Note that one embodiment of the present invention solves at least one of the above-described description and / or other problems.

本発明の一態様は、サンプルホールド回路と、第1の回路と、を有し、第1の回路は、増幅器を有し、サンプルホールド回路は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下であり、第2の容量素子の容量は、第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第1のトランジスタは、オフすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持する機能を有し、バッファ回路は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置である。 One embodiment of the present invention includes a sample and hold circuit and a first circuit. The first circuit includes an amplifier. The sample and hold circuit includes a buffer circuit, a first transistor, and a second circuit. The first transistor has a channel length of 1 nm to 500 nm, the first transistor includes an oxide semiconductor, The gate capacitance of the first transistor is 0.1 μF · cm −2 or more and 1 μF · cm −2 or less, and the capacitance of the second capacitor is 0.3 times or more of the gate capacitance of the first transistor. 7 times or less, one of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the first capacitor, and one of the source and the drain of the first transistor is a second capacitor One side of the element One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the second transistor, and the first transistor is turned off to turn on the first transistor A semiconductor having a function of holding charge in one of a source and a drain of a transistor, and a buffer circuit having a function of stopping supply of a power supply voltage after holding the charge in one of a source and a drain of the first transistor Device.

または、本発明の一態様は、サンプルホールド回路と、第1の回路と、を有し、第1の回路は、コンパレータを有し、サンプルホールド回路は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下であり、第2の容量素子の容量は、第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第1のトランジスタは、オフすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持する機能を有し、バッファ回路は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置である。 Alternatively, one embodiment of the present invention includes a sample-hold circuit and a first circuit, the first circuit includes a comparator, the sample-hold circuit includes a buffer circuit, a first transistor, The first transistor includes a second transistor, a first capacitor, and a second capacitor, the channel length of the first transistor is greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 500 nm, and the first transistor includes an oxide semiconductor. The first transistor has a gate capacitance of 0.1 μF · cm −2 to 1 μF · cm −2 , and the second capacitor has a capacitance of 0.3 times or more the gate capacitance of the first transistor. 0.7 or less, one of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the first capacitor, and the one of the source and the drain of the first transistor is of One of the electrodes of the quantum element is electrically connected, one of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor, and the first transistor is turned off Thus, the buffer circuit has a function of holding electric charge in one of the source and the drain of the first transistor, and the buffer circuit stops supplying the power supply voltage after holding the electric charge in one of the source and the drain of the first transistor. This is a semiconductor device having a function.

また、上記構成において、第1の回路は第3のトランジスタを有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第3のトランジスタのゲートと電気的に接続されることが好ましい。また、上記構成において、バッファ回路からの出力は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に入力され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持される電荷に応じた信号は、第1の回路に入力されることが好ましい。また、上記構成において、半導体装置は、デジタルアナログ変換回路を有し、第1の回路には、デジタルアナログ変換回路が接続されることが好ましい。また、上記構成において、半導体装置は、逐次比較レジスタとタイミングコントローラを有することが好ましい。   In the above structure, the first circuit preferably includes a third transistor, and one of the source and the drain of the first transistor is preferably electrically connected to the gate of the third transistor. In the above structure, the output from the buffer circuit is input to the other of the source and the drain of the first transistor, and the signal corresponding to the charge held in one of the source and the drain of the first transistor is the first It is preferable to be input to the circuit. In the above structure, the semiconductor device preferably includes a digital-analog conversion circuit, and the digital-analog conversion circuit is preferably connected to the first circuit. In the above structure, the semiconductor device preferably includes a successive approximation register and a timing controller.

または、本発明の一態様は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第1の電位が与えられ、第2のトランジスタは、オンすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第1の電位に応じた第1の電荷を与えた後、オフすることにより、第1の電荷を保持する機能を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第2の電位が与えられ、第1のトランジスタは、オンすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第2の電位に応じた第2の電荷を与えた後、オフすることにより、第2の電荷を保持する機能を有し、バッファ回路は、第2の電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置である。   Another embodiment of the present invention includes a buffer circuit, a first transistor, a second transistor, and a capacitor, and the channel length of the first transistor is greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 500 nm. The transistor includes an oxide semiconductor, one of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the capacitor, and one of the source and the drain of the first transistor is The first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the first transistor, the first potential is applied to the other of the source and the drain of the second transistor, and the second transistor is turned on to turn on the source of the first transistor. Alternatively, the first charge corresponding to the first potential is applied to one of the drains, and then turned off to hold the first charge. A second potential is applied to the other of the source and the drain of the first transistor. When the first transistor is turned on, the second potential corresponding to the second potential is applied to one of the source or the drain of the first transistor. The semiconductor device has a function of holding the second charge by turning off after applying the charge, and the buffer circuit has a function of stopping the supply of the power supply voltage after holding the second charge. is there.

または、本発明の一態様は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、第2の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、第2の容量素子の容量は、第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第1の電位が与えられ、第2のトランジスタは、オンすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第1の電位に応じた第1の電荷を与えた後、オフすることにより、第1の電荷を保持する機能を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第2の電位が与えられ、第1のトランジスタのゲートに第3の電位を与えることにより第1のトランジスタをオンし、第2の容量素子の他方の電極に、第4の電位が与えられ、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第2の電位に応じた第2の電荷が与えられ、第1のトランジスタは、オフすることにより、第2の電荷を保持する機能を有し、バッファ回路は、第2の電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置である。   Another embodiment of the present invention includes a buffer circuit, a first transistor, a second transistor, a capacitor, and a second capacitor, and the channel length of the first transistor is 1 nm or more. The first transistor includes an oxide semiconductor, the capacitance of the second capacitor is 0.3 to 0.7 times the gate capacitance of the first transistor, and the first transistor One of the source and the drain of the transistor is electrically connected to one electrode of the capacitor, and the one of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the second capacitor, and the other of the source and the drain of the second transistor A first potential is applied, and the second transistor is turned on to apply a first charge corresponding to the first potential to one of a source or a drain of the first transistor, and then is turned off. The first transistor has a function of holding the first charge, and the second potential is applied to the other of the source and the drain of the first transistor, and the third potential is applied to the gate of the first transistor. , The fourth potential is applied to the other electrode of the second capacitor, the second charge corresponding to the second potential is applied to one of the source and the drain of the first transistor, The transistor 1 has a function of holding the second charge by being turned off, and the buffer circuit is a semiconductor device having a function of stopping the supply of the power supply voltage after holding the second charge. .

また、上記構成において、第1の電位と、第2の電位の差は、0.1Vより大きく4Vより小さいことが好ましい。また、上記構成において、第2の電位に対する第3の電位の電位差は、第2の電位に対する第4の電位の電位差と極性が異なることが好ましい。また、上記構成において、第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下であることが好ましい。また、上記構成において、バッファ回路からの出力は、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に入力され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持される電荷に応じた信号は、第1の回路に入力されることが好ましい。また、上記構成において、半導体装置は、デジタルアナログ変換回路を有することが好ましい。また、上記構成において、半導体装置は、逐次比較レジスタとタイミングコントローラを有することが好ましい。 In the above structure, the difference between the first potential and the second potential is preferably greater than 0.1 V and less than 4 V. In the above structure, the potential difference of the third potential with respect to the second potential is preferably different in polarity from the potential difference of the fourth potential with respect to the second potential. In the above structure, the gate capacitance of the first transistor is preferably 0.1 μF · cm −2 to 1 μF · cm −2 . In the above structure, the output from the buffer circuit is input to the other of the source and the drain of the first transistor, and the signal corresponding to the charge held in one of the source and the drain of the first transistor is the first It is preferable to be input to the circuit. In the above structure, the semiconductor device preferably includes a digital-analog conversion circuit. In the above structure, the semiconductor device preferably includes a successive approximation register and a timing controller.

または、本発明の一態様は、上記のいずれかに記載の半導体装置と、表示部と、を有する電子機器である。   Another embodiment of the present invention is an electronic device including any of the above semiconductor devices and a display portion.

なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。   Note that other aspects of the present invention are described in the following embodiments and drawings.

本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な電子機器等を提供することができる。   One embodiment of the present invention can provide a novel semiconductor device, a novel electronic device, or the like.

または、本発明の一態様は、消費電力を低減できる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下しない、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、アナログデータを保持するための、専用の高電圧生成回路や周辺回路が必要とすることのない、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。   Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or the like having a novel structure that can reduce power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or the like having a novel structure that does not deteriorate the performance of an AD converter, such as resolution and sampling rate, can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device or the like having a novel structure which does not require a dedicated high-voltage generation circuit or a peripheral circuit for holding analog data can be provided.

また、本発明の一態様により、集積化された半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, an integrated semiconductor device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided.

なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び/又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。したがって本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。   Note that the effects of one embodiment of the present invention are not limited to the effects listed above. The effects listed above do not preclude the existence of other effects. The other effects are effects not mentioned in this item described in the following description. Effects not mentioned in this item can be derived from the description of the specification or drawings by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. Note that one embodiment of the present invention has at least one of the above effects and / or other effects. Therefore, one embodiment of the present invention may not have the above-described effects depending on circumstances.

本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。4 is a timing chart for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図および波形図。4A and 4B are a block diagram and a waveform diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための波形図。FIG. 6 is a waveform diagram for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。4 is a timing chart for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための模式図。FIG. 6 is a schematic diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための模式図。FIG. 6 is a schematic diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための電子機器。An electronic device for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。4 is a timing chart for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための回路図。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。4 is a timing chart for describing one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための模式図。FIG. 6 is a schematic diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための模式図。FIG. 6 is a schematic diagram for illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を説明するための模式図。FIG. 6 is a schematic diagram for illustrating one embodiment of the present invention. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図及びエネルギーバンド図。10A and 10B are a cross-sectional view and an energy band diagram illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a transistor. トランジスタの構成例を示す上面図及び断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a structural example of a transistor. 半導体装置の構成例を示すブロック図。FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device. 表示装置の構成例を示す外観図。FIG. 6 is an external view illustrating a configuration example of a display device. 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.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。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 will be described with reference to the drawings. However, the embodiments can be implemented in many different modes, and it is easily understood by those skilled in the art that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope thereof. . Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.

なお本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。したがって、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略して言及することもありうる。   In the present specification and the like, the ordinal numbers “first”, “second”, and “third” are given to avoid confusion between components. Therefore, the number of components is not limited. Further, the order of the components is not limited. Further, for example, a component referred to as “first” in one embodiment of the present specification or the like is a component referred to as “second” in another embodiment or in the claims. It is also possible. In addition, for example, a component referred to as “first” in one embodiment of the present specification may be omitted in another embodiment or in the claims.

なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Note that in the drawings, the same element, an element having a similar function, an element of the same material, an element formed at the same time, or the like may be denoted by the same reference numeral, and repeated description thereof may be omitted.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device of one embodiment of the present invention is described.

図1は、本発明の一態様の半導体装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a structure of a semiconductor device of one embodiment of the present invention.

半導体装置100は、サンプルホールド回路101(サンプルアンドホールド回路ともいう。図中、S&Hと略記)および回路102を有することが好ましい。   The semiconductor device 100 preferably includes a sample and hold circuit 101 (also referred to as a sample and hold circuit; abbreviated as S & H in the drawing) and a circuit 102.

サンプルホールド回路101は、アナログデータの電位(アナログ電位Vin)が入力され、制御信号S1の制御に応じてアナログ電位Vinに応じた電荷の保持を行うことができる機能を有する回路である。   The sample-and-hold circuit 101 is a circuit having a function of receiving analog data potential (analog potential Vin) and holding charges according to the analog potential Vin in accordance with control of the control signal S1.

サンプルホールド回路101は、一例として、バッファ回路111、トランジスタ112、及び容量素子113を有する。サンプルホールド回路101の出力端子は、トランジスタ112のソース又はドレインの一方に設けられる。また、サンプルホールド回路101の入力端子は、トランジスタ112のソース又はドレインの他方に設けられる。なおトランジスタ112のソース又はドレインの一方にあるノードを、説明のため、ノードNDとする。   As an example, the sample hold circuit 101 includes a buffer circuit 111, a transistor 112, and a capacitor 113. The output terminal of the sample hold circuit 101 is provided on one of the source and the drain of the transistor 112. An input terminal of the sample hold circuit 101 is provided on the other of the source and the drain of the transistor 112. Note that a node at one of the source and the drain of the transistor 112 is referred to as a node ND for description.

また図1(B)および(C)には半導体装置100のより具体的な一例として、アナログ電位Vinを生成するセンサ回路121(図中、Sensor)が入力端子Vinに接続される例を示すが、入力端子Vinにはセンサ回路以外の回路が接続してもよい。   FIGS. 1B and 1C show an example in which a sensor circuit 121 (Sensor in the drawing) that generates an analog potential Vin is connected to an input terminal Vin as a more specific example of the semiconductor device 100. A circuit other than the sensor circuit may be connected to the input terminal Vin.

図1(B)に示すように、サンプルホールド回路101は、トランジスタ117を有することが好ましい。サンプルホールド回路101がトランジスタ117を有することにより例えば、トランジスタ112のソースとドレインの間に印加される電位差を小さくすることができる。また、図1(C)に示すように、サンプルホールド回路101は、容量素子116を有することが好ましい。サンプルホールド回路101が容量素子116を有することにより例えば、サンプルホールド回路101からの出力電位の変動および歪みを減少することができる。   As shown in FIG. 1B, the sample and hold circuit 101 preferably includes a transistor 117. When the sample hold circuit 101 includes the transistor 117, for example, the potential difference applied between the source and the drain of the transistor 112 can be reduced. In addition, as illustrated in FIG. 1C, the sample and hold circuit 101 preferably includes a capacitor 116. When the sample and hold circuit 101 includes the capacitor 116, for example, fluctuations and distortions in the output potential from the sample and hold circuit 101 can be reduced.

トランジスタ112のソースまたはドレインの一方は、容量素子113の一方の電極と電気的に接続される。また、トランジスタ112のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ117のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。   One of a source and a drain of the transistor 112 is electrically connected to one electrode of the capacitor 113. One of the source and the drain of the transistor 112 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 117.

バッファ回路111は、サンプルホールド回路101に入力されるアナログデータ等の信号を増幅して出力する機能を有する。ここで、図1(B)および(C)に示す例においては、電位VDDがスイッチSWを介してバッファ回路111に入力される。また、スイッチSWは制御信号PSWにより制御される。ここで、電位VDDは半導体装置100が有する回路の電源として用いられる場合がある。例えば、電位VDDはバッファ回路111の電源として用いられる。 The buffer circuit 111 has a function of amplifying and outputting a signal such as analog data input to the sample and hold circuit 101. Here, in the example shown in FIGS. 1B and 1C, the potential VDD is input to the buffer circuit 111 via the switch SW. The switch SW is controlled by a control signal PSW . Here, the potential VDD may be used as a power source of a circuit included in the semiconductor device 100 in some cases. For example, the potential VDD is used as a power source for the buffer circuit 111.

トランジスタ112は、オフ状態でのソースードレイン間を流れる電流が極めて低い機能を有するトランジスタである。このような機能を有するトランジスタとして、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)が好適である。OSトランジスタについては、後述する実施の形態で詳述する。なお図面では、OSトランジスタであることを明示するために、OSトランジスタの回路記号に「OS」の記載を付している。トランジスタ112のソース又はドレインの一方は、サンプルホールド回路101の入力端子に接続される。トランジスタ112のゲートは、制御信号S1を与える配線に接続される。トランジスタ112のソース又はドレインの一方は、サンプルホールド回路101の出力端子、又はノードNDに接続される。ここでノードNDの電位をVNDとする。 The transistor 112 is a transistor having a function of extremely low current flowing between a source and a drain in an off state. As the transistor having such a function, a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region (OS transistor) is preferable. The OS transistor will be described in detail in an embodiment described later. In the drawing, in order to clearly indicate that the transistor is an OS transistor, “OS” is added to the circuit symbol of the OS transistor. One of the source and the drain of the transistor 112 is connected to the input terminal of the sample and hold circuit 101. The gate of the transistor 112 is connected to a wiring that supplies a control signal S1. One of the source and the drain of the transistor 112 is connected to the output terminal of the sample hold circuit 101 or the node ND. Here, the potential of the node ND is V ND .

容量素子113は、トランジスタ112をオフにすることで、アナログ電位Vinに応じた電荷を保持する機能を有する。なお図1では、容量素子113をトランジスタ112のソース又はドレインの一方、すなわちノードND側に設ける構成を示しているが、容量素子113は必ずしも設ける必要はなく、回路102の入力端子におけるゲート容量等を利用することで省略することができる。なおアナログ電位Vinに応じた電荷を保持する、トランジスタ112及び容量素子113を有する回路を、第1の回路10と図示している。   The capacitor 113 has a function of holding charge corresponding to the analog potential Vin by turning off the transistor 112. Note that FIG. 1 illustrates a structure in which the capacitor 113 is provided on one of the source and the drain of the transistor 112, that is, the node ND side; however, the capacitor 113 is not necessarily provided, and the gate capacitance or the like at the input terminal of the circuit 102. It can be omitted by using. Note that a circuit including a transistor 112 and a capacitor 113 that holds electric charge in accordance with the analog potential Vin is illustrated as a first circuit 10.

回路102は例えば、増幅器を有することが好ましい。増幅器の一例として、オペアンプ等が挙げられる。   The circuit 102 preferably includes an amplifier, for example. An example of an amplifier is an operational amplifier.

または回路102は例えば、コンパレータを有することが好ましい。例えば回路102は、サンプルホールド回路101で保持するアナログ電位Vinに応じた電位VNDと、デジタルアナログ変換回路104が出力するアナログ電位DACoutとの大小関係を比較し、その大小関係に応じて信号cmpoutを出力する機能を有することが好ましい。 Alternatively, the circuit 102 preferably includes a comparator, for example. For example, the circuit 102 compares the magnitude relationship between the potential V ND corresponding to the analog potential Vin held by the sample hold circuit 101 and the analog potential DACout output from the digital-analog converter circuit 104, and the signal cmpout is determined according to the magnitude relationship. It is preferable to have a function of outputting.

回路102は、入力端子241、入力端子242および出力端子251を有することが好ましい。入力端子241には、サンプルホールド回路101が電気的に接続されることが好ましい。例えば、回路102において、入力端子241に入力される電位と入力端子242に入力される電位の大小関係に応じて、出力端子251より信号が出力される。   The circuit 102 preferably includes an input terminal 241, an input terminal 242, and an output terminal 251. The sample hold circuit 101 is preferably electrically connected to the input terminal 241. For example, in the circuit 102, a signal is output from the output terminal 251 in accordance with the magnitude relationship between the potential input to the input terminal 241 and the potential input to the input terminal 242.

次いで、半導体装置100の動作例について、特にサンプルホールド回路101の動作に着目して説明し、本発明の一態様による効果について詳述する。   Next, an operation example of the semiconductor device 100 will be described by focusing on the operation of the sample hold circuit 101, and effects of one embodiment of the present invention will be described in detail.

図1(B)に示す半導体装置100は、サンプルホールド回路101、及び回路102を図示している。サンプルホールド回路101は、バッファ回路111に電源を供給するスイッチSW図示している。   A semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1B illustrates a sample hold circuit 101 and a circuit 102. The sample hold circuit 101 shows a switch SW for supplying power to the buffer circuit 111.

スイッチSWは、制御信号PSWによってオンまたはオフが制御される。スイッチSWがオンになることでノードVVDDが電位VDDとなり、グラウンド電位GNDとの間で電源を供給することができる。スイッチSWがオフになることで電源の供給を停止することができる。 The switch SW is controlled to be turned on or off by a control signal PSW . When the switch SW is turned on, the node V VDD becomes the potential VDD, and power can be supplied to the ground potential GND. The power supply can be stopped by turning off the switch SW.

スイッチSWをオンにし、制御信号S1によってトランジスタ112をオンにすることで、ノードNDにアナログ電位Vinに応じた電荷が伝わる。次いで、トランジスタ112をオフとした後にスイッチSWをオフにし、バッファ回路111への電源の供給を停止する。上述したようにオフ状態でのトランジスタ112のオフ電流が極めて低いため、ノードNDに伝わったアナログ電位Vinに応じた電荷は、バッファ回路111への電源の供給を停止してもトランジスタ112のオフ状態を維持することで保持し続けることができる。そのため、アナログ電位を供給するセンサ回路121の電源の供給も停止することができる。   When the switch SW is turned on and the transistor 112 is turned on by the control signal S1, the charge corresponding to the analog potential Vin is transmitted to the node ND. Next, after the transistor 112 is turned off, the switch SW is turned off, and supply of power to the buffer circuit 111 is stopped. Since the off-state current of the transistor 112 in the off state is extremely low as described above, the charge corresponding to the analog potential Vin transmitted to the node ND remains off even when the supply of power to the buffer circuit 111 is stopped. Can be maintained by maintaining. Therefore, the supply of power to the sensor circuit 121 that supplies the analog potential can also be stopped.

トランジスタの駆動性能の向上、および回路の集積度の向上のためには、トランジスタのチャネル長をより短くすることが求められる。   In order to improve the driving performance of the transistor and the degree of circuit integration, it is required to shorten the channel length of the transistor.

従来のシリコンやゲルマニウム、及びその化合物を用いたトランジスタでは、特に微細なチャネル長を有する素子では短チャネル効果を抑制するために、ゲート電界を強くすることが好ましく、ゲート電界を強くするためにはゲート絶縁膜の薄膜化が好ましい。   In a transistor using conventional silicon, germanium, and a compound thereof, it is preferable to increase the gate electric field in order to suppress the short channel effect particularly in an element having a fine channel length, and to increase the gate electric field. It is preferable to reduce the thickness of the gate insulating film.

一方、酸化物半導体を用いたトランジスタは、電子を多数キャリアとする蓄積型トランジスタである。そのため、pn接合を有する反転型トランジスタと比較して短チャネル効果の一つであるDIBL(Drain−Induced Barrier Lowering)の影響が小さい。酸化物半導体を用いたトランジスタは、短チャネル効果に対する耐性を有すると言い換えることもできる。   On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor is a storage transistor using electrons as a majority carrier. Therefore, the influence of DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering), which is one of the short channel effects, is smaller than that of an inverting transistor having a pn junction. In other words, a transistor including an oxide semiconductor has resistance to a short channel effect.

短チャネル効果に対する耐性が高いために、酸化物半導体を用いたトランジスタではシリコン等を用いた従来のトランジスタよりもゲート絶縁膜を厚くすることが可能となる。例えばチャネル長及びチャネル幅が50nm以下の微細なトランジスタにおいても、10nm程度の厚いゲート絶縁膜を用いてもよい。ここでゲート絶縁膜として例えば酸化シリコン等を用いることができる。ゲート絶縁膜を厚くすることにより、寄生容量を低減することができる。よって、回路の動特性を向上できる場合がある。またゲート絶縁膜を厚くすることにより、リーク電流を低減し、消費電力を下げられる場合がある。   Since resistance to the short channel effect is high, a transistor using an oxide semiconductor can have a thicker gate insulating film than a conventional transistor using silicon or the like. For example, a thin gate insulating film having a thickness of about 10 nm may be used for a minute transistor having a channel length and a channel width of 50 nm or less. Here, for example, silicon oxide or the like can be used as the gate insulating film. By increasing the thickness of the gate insulating film, parasitic capacitance can be reduced. Therefore, the dynamic characteristics of the circuit may be improved. Further, by increasing the thickness of the gate insulating film, leakage current may be reduced and power consumption may be reduced.

真性または実質的に真性の酸化物半導体を用いたトランジスタでは、ソース電極とドレイン電極の間の距離が充分小さいときには、ソースとドレインの間の電界の影響により伝導帯下端のエネルギーが低くなり、伝導帯下端のエネルギーとフェルミ準位が近くなる。この現象を、Conduction Band Lowering Effect(CBL効果)と呼ぶ。CBL効果によって、Vg−Id特性において0V付近の低いゲート電圧からドレイン電流が流れ始めるために、トランジスタの駆動電圧を低くすることができる場合がある。   In a transistor using an intrinsic or substantially intrinsic oxide semiconductor, when the distance between the source electrode and the drain electrode is sufficiently small, the energy at the lower end of the conduction band is lowered due to the influence of the electric field between the source and the drain, and the conduction is reduced. The energy at the bottom of the belt and the Fermi level are close. This phenomenon is called a “Condition Band Lowering Effect” (CBL effect). Since the drain current starts to flow from a low gate voltage near 0 V in the Vg-Id characteristic due to the CBL effect, the driving voltage of the transistor may be lowered.

ここで、酸化物半導体としてCAAC−OS膜を用いることが好ましい。CAAC−OS膜のCAAC比率は高いことが好ましい。CAAC比率を高めることにより、例えばトランジスタのキャリア散乱の影響を小さくすることができ、高い電界効果移動度を得ることができる。また、粒界の影響を小さくすることができるため、トランジスタのオン特性のばらつきを小さくすることができる。よって、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、バラツキの小さいトランジスタを用いることにより駆動電圧を小さくし、消費電力を下げることができる。また、例えば欠陥密度の低いCAAC−OS膜を実現することができる。また、不純物の少ないCAAC−OS膜を実現することができる。欠陥密度を低減することにより、例えば極めて低いオフ電流特性を実現することができる。   Here, a CAAC-OS film is preferably used as the oxide semiconductor. The CAAC ratio of the CAAC-OS film is preferably high. By increasing the CAAC ratio, for example, the influence of carrier scattering of the transistor can be reduced, and high field-effect mobility can be obtained. In addition, since the influence of grain boundaries can be reduced, variation in on-state characteristics of transistors can be reduced. Therefore, a highly reliable semiconductor device can be obtained. In addition, by using a transistor with small variation, a driving voltage can be reduced and power consumption can be reduced. For example, a CAAC-OS film with a low defect density can be realized. In addition, a CAAC-OS film with few impurities can be realized. By reducing the defect density, for example, extremely low off-current characteristics can be realized.

本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体を用いたトランジスタを有することにより短チャネル効果を抑制することができ、回路の微細化を実現することができる。   The semiconductor device of one embodiment of the present invention can include a transistor including an oxide semiconductor, so that the short channel effect can be suppressed and miniaturization of the circuit can be realized.

また、チャネル長が微細化するのに伴いドレイン電界が強まるため、シリコン等を用いた従来のトランジスタにおいては、特に微細なチャネル長を有する場合にホットキャリア劣化による信頼性の低下がより顕著となる。一方、酸化物半導体ではバンドギャップが大きく(例えばインジウム、ガリウム及び亜鉛を有する酸化物半導体では2.5eV以上)、電子が励起されにくいことや、ホールの有効質量が大きいことなどから、従来のシリコン等を用いたトランジスタと比較して、アバランシェ崩壊等が生じにくい場合がある。よって、例えばアバランシェ崩壊に起因するホットキャリア劣化等を抑制できる場合がある。   In addition, since the drain electric field becomes stronger as the channel length becomes finer, in a conventional transistor using silicon or the like, the reliability deterioration due to hot carrier deterioration becomes more remarkable particularly when the channel length is fine. . On the other hand, an oxide semiconductor has a large band gap (for example, 2.5 eV or more for an oxide semiconductor containing indium, gallium, and zinc), is difficult to excite electrons, and has a large effective mass of holes. In some cases, avalanche collapse or the like is less likely to occur as compared with a transistor using the above. Therefore, for example, hot carrier deterioration due to avalanche collapse may be suppressed.

ゲート絶縁膜を厚くすることによりゲート絶縁膜の耐圧を高めることができ、シリコン等を用いた従来のトランジスタと比べて、より高いゲート電圧でトランジスタを駆動することができる。また、ホットキャリア劣化を抑制することにより、チャネル長を長くせずとも高いドレイン電圧でトランジスタを駆動することができる。よって、高い電圧が入力される回路においてトランジスタの信頼性を高めることができるとともに、チャネル長の縮小が可能となり回路の集積度を高めることができる。   By increasing the thickness of the gate insulating film, the breakdown voltage of the gate insulating film can be increased, and the transistor can be driven with a higher gate voltage than a conventional transistor using silicon or the like. Further, by suppressing hot carrier deterioration, the transistor can be driven with a high drain voltage without increasing the channel length. Accordingly, the reliability of the transistor can be increased in a circuit to which a high voltage is input, and the channel length can be reduced, so that the degree of circuit integration can be increased.

シリコン等を用いた従来のトランジスタにおいては、VDD電位が3Vの回路においてソースとドレインの間の耐圧を確保するためには、チャネル長は例えば300nm以上とすることが好ましい。ここでVDDV電位は例えば、電源として用いられる。また、ゲート絶縁膜は酸化シリコン換算で例えば3nm以下であることが好ましく、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑えるためにはゲート絶縁膜の物理膜厚は6nm以上であることが好ましい。一方、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいては、VDD電位が3Vの回路において例えば200nm以下のチャネル長においても、ソースとドレインの間の耐圧を充分に確保できる場合がある。また、酸化シリコン換算で例えば10nm以上のゲート絶縁膜においても短チャネル効果を抑えることができる場合がある。すなわち、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいては、トランジスタの微細化が可能であり、かつ、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制することができるため好ましい。   In a conventional transistor using silicon or the like, the channel length is preferably set to, for example, 300 nm or more in order to ensure a breakdown voltage between the source and the drain in a circuit having a VDD potential of 3V. Here, the VDDV potential is used as a power source, for example. The gate insulating film is preferably 3 nm or less in terms of silicon oxide, and the physical thickness of the gate insulating film is preferably 6 nm or more in order to suppress the leakage current of the gate insulating film. On the other hand, in a transistor including an oxide semiconductor, a withstand voltage between the source and the drain may be sufficiently ensured even in a circuit having a VDD potential of 3 V, for example, with a channel length of 200 nm or less. In addition, the short channel effect may be suppressed even in a gate insulating film of, for example, 10 nm or more in terms of silicon oxide. That is, a transistor including an oxide semiconductor is preferable because the transistor can be miniaturized and leakage current of the gate insulating film can be suppressed.

ここで、本発明の一態様により、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、さらなる微細化を実現することができる。例えばVDD電位が3Vの回路において、チャネル長を100nm以下とすることができる場合がある。すなわち、本発明の一態様により、回路の集積度を高めることができる。また、本発明の一態様により、トランジスタのソースとドレインの間の耐圧を充分に確保することができる。   Here, according to one embodiment of the present invention, further miniaturization can be realized in a transistor including an oxide semiconductor. For example, in a circuit with a VDD potential of 3 V, the channel length may be 100 nm or less. That is, according to one embodiment of the present invention, the degree of circuit integration can be increased. Further, according to one embodiment of the present invention, a sufficient withstand voltage between the source and the drain of the transistor can be ensured.

図2(A)は、図1(B)に示すサンプルホールド回路101の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお図中の斜線部231は、前のデータが保持された状態を表している。   FIG. 2A is a timing chart illustrating an example of the operation of the sample hold circuit 101 illustrated in FIG. A hatched portion 231 in the figure represents a state in which previous data is held.

まず時刻T1で制御信号PSWをハイレベルとする。制御信号PSWをハイレベルとすることで、スイッチSWがオンとなり、ノードVVDDが電位VDDとなり、グラウンド電位GNDとの間で電源が供給される。そして、電位Vinはバッファ回路111により増幅され、電位Vboutとして出力される。そして制御信号S4をハイレベルとする。すると、トランジスタ117がオンとなり、トランジスタ112もオフであるため、ノードNDの電位は入力端子aの電位である電位Vaに上昇する。 First, at time T1, the control signal PSW is set to the high level. By setting the control signal PSW to the high level, the switch SW is turned on, the node VVDD becomes the potential VDD, and power is supplied to the ground potential GND. The potential Vin is amplified by the buffer circuit 111 and output as the potential Vbout. Then, the control signal S4 is set to the high level. Then, since the transistor 117 is turned on and the transistor 112 is also turned off, the potential of the node ND rises to the potential Va that is the potential of the input terminal a.

次いで時刻T2で制御信号S4をロウレベル、制御信号S1をハイレベルとする。すると、トランジスタ117がオフとなり、トランジスタ112がオンとなる。この時、トランジスタ112のソースとドレインの間には、電位Vaと電位Vboutの電位差が印加される。そして、ノードNDの電位はは電位Vboutとなる。   Next, at time T2, the control signal S4 is set to the low level and the control signal S1 is set to the high level. Then, the transistor 117 is turned off and the transistor 112 is turned on. At this time, a potential difference between the potential Va and the potential Vbout is applied between the source and the drain of the transistor 112. The potential of the node ND is the potential Vbout.

ここでノードNDにあらかじめ電位Vaを与えておくことにより、時刻T2においてトランジスタ112のソースとドレインの電位の差を、電位Vboutとグラウンド電位GNDとの電位差よりも小さくすることができる。よって、トランジスタ112のチャネル長をより短くすることができる。   Here, by applying the potential Va to the node ND in advance, the difference in potential between the source and the drain of the transistor 112 can be made smaller than the potential difference between the potential Vbout and the ground potential GND at the time T2. Thus, the channel length of the transistor 112 can be further shortened.

ここで、トランジスタ112のチャネル長は例えば、好ましくは1nm以上500nm以下、より好ましくは3nm以上200nm以下、さらに好ましくは5nm以上100nm以下である。さらに好ましくは10nm以上60nm未満、さらに好ましくは10nm以上30nm未満である。   Here, the channel length of the transistor 112 is, for example, preferably 1 nm to 500 nm, more preferably 3 nm to 200 nm, and still more preferably 5 nm to 100 nm. More preferably, they are 10 nm or more and less than 60 nm, More preferably, they are 10 nm or more and less than 30 nm.

トランジスタ112において、単位体積あたりのゲート容量は例えば、好ましくは1fF・μm−2以上10fF・μm−2以下、より好ましくは2fF・μm−2以上9fF・μm−2以下である。 In the transistor 112, the gate capacitance per unit volume is, for example, preferably 1 fF · [mu] m -2 or 10 fF · [mu] m -2 or less, more preferably 2 fF · [mu] m -2 or more 9ff · [mu] m -2 or less.

トランジスタ112のゲート絶縁膜として例えば、3nmより厚く40nmより薄い酸化シリコン膜を用いることができる。また、ゲート絶縁膜として例えば、酸化ハフニウム、窒化シリコン等の誘電率のより高い材料を用いることができる。トランジスタ112のゲート絶縁膜として例えば、酸化シリコン膜換算の厚さで、3nmより厚く40nmより薄い絶縁膜を用いることができる。ここで、酸化シリコン膜換算の厚さとは、[ゲート絶縁膜の物理膜厚×酸化シリコンの誘電率÷ゲート絶縁膜の誘電率]として算出できる。   As the gate insulating film of the transistor 112, for example, a silicon oxide film thicker than 3 nm and thinner than 40 nm can be used. For the gate insulating film, a material having a higher dielectric constant such as hafnium oxide or silicon nitride can be used. As the gate insulating film of the transistor 112, for example, an insulating film having a thickness equivalent to a silicon oxide film and greater than 3 nm and less than 40 nm can be used. Here, the thickness in terms of silicon oxide film can be calculated as [physical film thickness of gate insulating film × dielectric constant of silicon oxide ÷ dielectric constant of gate insulating film].

また例えば、電位Vaとグラウンド電位GNDとの差は、好ましくは電位VDDとグラウンド電位GNDとの差の0.3倍以上0.7倍以下である。また、電位Vaとグラウンド電位GNDとの差と、トランジスタ117のしきい値との和は電位VDDとグラウンド電位GNDとの差以下である。   For example, the difference between the potential Va and the ground potential GND is preferably not less than 0.3 times and not more than 0.7 times the difference between the potential VDD and the ground potential GND. The sum of the difference between the potential Va and the ground potential GND and the threshold value of the transistor 117 is less than or equal to the difference between the potential VDD and the ground potential GND.

次いで時刻T3に制御信号S1をロウレベルとする。すると、トランジスタ112がオフとなる。そのため、ノードNDには電位Vboutが保持される。   Next, at time T3, the control signal S1 is set to low level. Then, the transistor 112 is turned off. Therefore, the potential Vbout is held at the node ND.

次いで時刻T4に制御信号PSWをロウレベルとする。制御信号PSWをロウレベルとすることで、バッファ回路111への電源の供給が停止される。このとき、制御信号S1はロウレベルであるため、ノードNDには電位Vboutが保持され続ける。 Then a control signal P SW to the low level at time T4. By setting the control signal PSW to a low level, the supply of power to the buffer circuit 111 is stopped. At this time, since the control signal S1 is at the low level, the potential Vbout is continuously held at the node ND.

ノードNDに応じた電位がサンプルホールド回路101から出力され、入力端子241へ入力される。以上が図1(B)のサンプルホールド回路101の動作の一例である。   A potential corresponding to the node ND is output from the sample hold circuit 101 and input to the input terminal 241. The above is an example of the operation of the sample hold circuit 101 in FIG.

図2(B)は、図1(C)に示すサンプルホールド回路101の動作の一例を示すタイミングチャートである。なお図中の斜線部231は、前のデータが保持された状態を表している。   FIG. 2B is a timing chart illustrating an example of the operation of the sample hold circuit 101 illustrated in FIG. A hatched portion 231 in the figure represents a state in which previous data is held.

まず時刻T1で制御信号PSWをハイレベルとし、バッファ回路111への電源の供給が開始されることで、電位Vinが増幅された電位である電位Vboutがバッファ回路111より出力される。そして制御信号S4をハイレベルとする。すると、トランジスタ117がオンとなるため、ノードNDの電位は入力端子aの電位である電位Vaに上昇する。 First time the control signal P SW to the high level at T1, that supply of power to the buffer circuit 111 is started, the potential Vbout a potential that potential Vin is amplified is output from the buffer circuit 111. Then, the control signal S4 is set to the high level. Then, since the transistor 117 is turned on, the potential of the node ND rises to the potential Va that is the potential of the input terminal a.

次いで時刻T2で制御信号S4をロウレベルとする。すると、トランジスタ117がオフとなる。そして、制御信号S1をハイレベルとし、制御信号S5をロウレベルとする。すると、トランジスタ112がオンとなる。また、容量素子116が有する2つの電極の電位差に応じた電荷が容量素子116に蓄積される。ここで、時刻T2においては、制御信号S1の論理が反転した信号が、制御信号S5に入力される。このとき例えば、ノードNDの電位に対する制御信号S5の電位の電位差は、ノードNDの電位に対する制御信号S1の電位の電位差と極性が異なる。トランジスタ112のソースとドレインの間には、Vboutと電位Vinの電位差が印加され、その電位差に応じた電流が流れる。そして、ノードNDの電位は電位Vboutに上昇する。   Next, at time T2, the control signal S4 is set to low level. Then, the transistor 117 is turned off. Then, the control signal S1 is set to the high level, and the control signal S5 is set to the low level. Then, the transistor 112 is turned on. In addition, a charge corresponding to the potential difference between the two electrodes included in the capacitor 116 is accumulated in the capacitor 116. Here, at time T2, a signal obtained by inverting the logic of the control signal S1 is input to the control signal S5. At this time, for example, the potential difference of the potential of the control signal S5 with respect to the potential of the node ND is different in polarity from the potential difference of the potential of the control signal S1 with respect to the potential of the node ND. A potential difference between Vbout and the potential Vin is applied between the source and the drain of the transistor 112, and a current corresponding to the potential difference flows. Then, the potential of the node ND rises to the potential Vbout.

次いで時刻T3に制御信号S1をロウレベルとし、制御信号S5をハイレベルとする。すると、トランジスタ112がオフとなる。そのため、ノードNDには電位Vboutが保持される。ここで、トランジスタ112をオフすることによりノードNDの電位が変動する場合がある。この時、サンプルホールド回路101が容量素子116を有することにより、ノードNDの電位の変動を抑制できる場合がある。   Next, at time T3, the control signal S1 is set to low level, and the control signal S5 is set to high level. Then, the transistor 112 is turned off. Therefore, the potential Vbout is held at the node ND. Here, when the transistor 112 is turned off, the potential of the node ND may vary. At this time, since the sample-and-hold circuit 101 includes the capacitor 116, variation in the potential of the node ND may be suppressed.

次いで時刻T4に制御信号PSWをロウレベルとする。制御信号PSWをロウレベルとすることで、バッファ回路111への電源の供給が停止される。このとき、制御信号S1はロウレベルであるため、ノードNDには電位Vboutが保持され続ける。 Then a control signal P SW to the low level at time T4. By setting the control signal PSW to a low level, the supply of power to the buffer circuit 111 is stopped. At this time, since the control signal S1 is at the low level, the potential Vbout is continuously held at the node ND.

ノードNDに応じた電位がサンプルホールド回路101から出力され、入力端子241へ入力される。以上が図1(C)のサンプルホールド回路101の動作の一例である。   A potential corresponding to the node ND is output from the sample hold circuit 101 and input to the input terminal 241. The above is an example of the operation of the sample hold circuit 101 in FIG.

ここで図3に示す例のように、制御信号S1を与える配線にインバータ120を接続し、制御信号S1の反転信号を容量素子116の一方の電極に印加することができる。図3の構成とすることにより、制御信号S5が不要となり、回路の簡略化が可能となる。   Here, as in the example illustrated in FIG. 3, the inverter 120 can be connected to a wiring that supplies the control signal S <b> 1, and an inverted signal of the control signal S <b> 1 can be applied to one electrode of the capacitor 116. With the configuration shown in FIG. 3, the control signal S5 is unnecessary, and the circuit can be simplified.

図4に示す例のように、回路102は、トランジスタ119を有することが好ましい。トランジスタ112のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ119のゲートと電気的に接続されることが好ましい。図4(A)において、サンプルホールド回路101より出力される電位はトランジスタ119のゲートに保持される。また図4(B)に示すように、半導体装置100は、サンプルホールド回路101と、トランジスタ119との間に容量素子を有してもよい。   As in the example illustrated in FIG. 4, the circuit 102 preferably includes a transistor 119. One of the source and the drain of the transistor 112 is preferably electrically connected to the gate of the transistor 119. In FIG. 4A, the potential output from the sample and hold circuit 101 is held at the gate of the transistor 119. As illustrated in FIG. 4B, the semiconductor device 100 may include a capacitor between the sample and hold circuit 101 and the transistor 119.

また、半導体装置100において、ノード電位NDの電位と比較する電位を生成する回路が、入力端子242に入力されることが好ましい。該電位を生成する回路として例えば、デジタルアナログ変換回路等が挙げられる。   In the semiconductor device 100, a circuit that generates a potential to be compared with the node potential ND is preferably input to the input terminal 242. An example of a circuit that generates the potential is a digital-analog conversion circuit.

また図5に示す例のように、半導体装置100は、逐次比較レジスタ103(図中、SARと略記)と、タイミングコントローラ105(図中、T_conと略記)と、を有することが好ましい。また、半導体装置100は、発振回路106(図中、Osci.と略記)を有することが好ましい。   Further, as in the example illustrated in FIG. 5, the semiconductor device 100 preferably includes a successive approximation register 103 (abbreviated as SAR in the figure) and a timing controller 105 (abbreviated as T_con in the figure). The semiconductor device 100 preferably includes an oscillation circuit 106 (abbreviated as Osci. In the drawing).

ここで図5に示す半導体装置100はADコンバータとして機能する。   Here, the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 5 functions as an AD converter.

半導体装置100は、サンプルホールド回路101、回路102、逐次比較レジスタ103、デジタルアナログ変換回路104、タイミングコントローラ105、及び発振回路106を有する。   The semiconductor device 100 includes a sample hold circuit 101, a circuit 102, a successive approximation register 103, a digital / analog conversion circuit 104, a timing controller 105, and an oscillation circuit 106.

逐次比較レジスタ103は、アナログ電位DACoutの変化に応じて、Nビット(Nは2以上の自然数)のデジタルデータを保持し、出力する機能を有する。Nビット、すなわち0ビット目から(N−1)ビット目のデジタルデータ(図中、value[N−1:0]と略記)は、Voutとして外部に出力される他、デジタルアナログ変換回路104に出力される。逐次比較レジスタ103は、各ビットに対応するレジスタを含む論理回路で構成され、制御信号S2の制御に応じてデジタルデータを出力することができる。制御信号S2は、タイミングコントローラ105より与えられる信号である。   The successive approximation register 103 has a function of holding and outputting digital data of N bits (N is a natural number of 2 or more) in accordance with a change in the analog potential DACout. N-bit, that is, 0th to (N-1) th bit digital data (abbreviated as value [N-1: 0] in the figure) is output to the outside as Vout, and is also sent to the digital-analog conversion circuit 104. Is output. The successive approximation register 103 is composed of a logic circuit including a register corresponding to each bit, and can output digital data according to the control of the control signal S2. The control signal S2 is a signal given from the timing controller 105.

デジタルアナログ変換回路104は、デジタルデータにしたがって、アナログ電位DACoutを生成し、出力する機能を有する。デジタルアナログ変換回路104は、容量方式の変換方式(C−DAC)でもよいし、抵抗方式の変換方式(R−DAC)でもよい。特にC−DACであれば、OSトランジスタを用いることで、デジタル値を保持することができるため好ましい。なおOSトランジスタを有するC−DACの構成については、後述する実施の形態で具体的な回路構成を挙げて説明する。   The digital-analog conversion circuit 104 has a function of generating and outputting an analog potential DACout according to digital data. The digital-analog conversion circuit 104 may be a capacitance conversion method (C-DAC) or a resistance conversion method (R-DAC). In particular, a C-DAC is preferable because a digital value can be held by using an OS transistor. Note that the structure of a C-DAC including an OS transistor will be described with a specific circuit structure in an embodiment described later.

タイミングコントローラ105は、信号SADCに応じてクロック信号CLKに同期した制御信号S1、S2を生成し、出力する機能を有する。タイミングコントローラ105は、論理回路で構成され、クロック信号CLK及び信号SADCに応じて制御信号S1、S2を出力することができる。論理回路で構成されるタイミングコントローラ105は、図6に示すように、論理回路で構成される逐次比較レジスタ103と一体に形成することができる。タイミングコントローラ105は、制御回路という場合がある。 The timing controller 105 has a function of generating and outputting control signals S1 and S2 synchronized with the clock signal CLK according to the signal S ADC . The timing controller 105 includes a logic circuit, and can output control signals S1 and S2 according to the clock signal CLK and the signal S ADC . As shown in FIG. 6, the timing controller 105 configured by a logic circuit can be formed integrally with the successive approximation register 103 configured by a logic circuit. The timing controller 105 may be referred to as a control circuit.

発振回路106は、クロック信号CLKを生成し、出力する機能を有する。発振回路106は、水晶発振器で生成されるクロック信号でもよいし、リングオシレータ―で生成されるクロック信号でもよい。   The oscillation circuit 106 has a function of generating and outputting a clock signal CLK. The oscillation circuit 106 may be a clock signal generated by a crystal oscillator or a clock signal generated by a ring oscillator.

図6に示すADコンバータとして機能する半導体装置100は、センサ回路等によって取得したアナログ電位Vinに応じた電荷を、オフ電流が極めて低いトランジスタ112を有するサンプルホールド回路101に保持させる。サンプルホールド回路101では、トランジスタ112をオフにすることで電荷の保持を可能としたノードNDに、アナログ電位Vinに応じた電荷を保持させる。そして本発明の一態様は、サンプルホールド回路101が有するバッファ回路111等への電源の供給を停止し、消費電力の低減を図ることができる。   The semiconductor device 100 functioning as an AD converter illustrated in FIG. 6 holds charges corresponding to the analog potential Vin acquired by a sensor circuit or the like in the sample and hold circuit 101 including the transistor 112 with extremely low off-state current. In the sample and hold circuit 101, a charge corresponding to the analog potential Vin is held at the node ND that can hold the charge by turning off the transistor 112. In one embodiment of the present invention, power supply to the buffer circuit 111 and the like included in the sample and hold circuit 101 can be stopped to reduce power consumption.

また本発明の一態様は、駆動電圧やクロック信号の周波数を抑えることなく、消費電力の低減を図ることができるため、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下させないようにすることができる。また本発明の一態様は、フラッシュメモリ等を用いることなくアナログデータを保持することができるため、専用の高電圧生成回路や周辺回路を設けずに、消費電力の低減を図ることができる。   Further, according to one embodiment of the present invention, power consumption can be reduced without suppressing the driving voltage and the frequency of the clock signal, so that the performance of the AD converter, such as resolution and sampling rate, can be prevented from being deteriorated. . Further, according to one embodiment of the present invention, analog data can be held without using a flash memory or the like, so that power consumption can be reduced without providing a dedicated high voltage generation circuit or a peripheral circuit.

なおセンサ回路121について、光センサの一例を図18、タッチセンサの一例を図19に示す。   As for the sensor circuit 121, an example of an optical sensor is shown in FIG. 18, and an example of a touch sensor is shown in FIG.

図18(A)に示す光センサは、Siトランジスタおよび光電変換素子66を有する層1100と、層1100と接して設けられ、配線層を有する層1200と、層1200と接して設けられ、OSトランジスタおよびOSトランジスタを有する層1300と、層1300と接して設けられ、配線層を有する層1400を備えている。層1100に形成される光電変換素子66上には絶縁層1500が形成される。また、層1400に接して支持基板1600が設けられる。なお層1200、層1300、及び層1400は図18(B)に示すように省略することが可能である。   An optical sensor illustrated in FIG. 18A is provided in contact with the layer 1100 including the Si transistor and the photoelectric conversion element 66, the layer 1200 including the wiring layer, the layer 1200 including the wiring layer, and the OS transistor. And a layer 1300 including an OS transistor and a layer 1400 provided in contact with the layer 1300 and including a wiring layer. An insulating layer 1500 is formed over the photoelectric conversion element 66 formed in the layer 1100. A support substrate 1600 is provided in contact with the layer 1400. Note that the layer 1200, the layer 1300, and the layer 1400 can be omitted as illustrated in FIG.

絶縁層1500上には、遮光層1510が形成される。絶縁層1500および遮光層1510上には平坦化膜として有機樹脂層1520が形成される。有機樹脂層1520上には、光学変換層1550が形成される。光学変換層1550上にはマイクロレンズアレイ1540が設けられ、一つのレンズを通る光が直下の光学変換層1550を通り、光電変換素子66に照射されるようになる。なお絶縁層1500上にある、遮光層1510、有機樹脂層1520、光学変換層1550、及び/またはマイクロレンズアレイ1540は、省略して形成することが可能である。   A light shielding layer 1510 is formed over the insulating layer 1500. Over the insulating layer 1500 and the light shielding layer 1510, an organic resin layer 1520 is formed as a planarization film. An optical conversion layer 1550 is formed on the organic resin layer 1520. A microlens array 1540 is provided on the optical conversion layer 1550, and light passing through one lens passes through the optical conversion layer 1550 directly below and irradiates the photoelectric conversion element 66. Note that the light-blocking layer 1510, the organic resin layer 1520, the optical conversion layer 1550, and / or the microlens array 1540 over the insulating layer 1500 can be omitted.

なお層1300が有するOSトランジスタは、半導体装置が有するトランジスタと同じ層に設けられていてもよい。この場合、センサ回路と半導体装置を同じ基板を用いて形成することができるため、低コスト化、小型化を図ることができる。   Note that the OS transistor included in the layer 1300 may be provided in the same layer as the transistor included in the semiconductor device. In this case, since the sensor circuit and the semiconductor device can be formed using the same substrate, cost reduction and size reduction can be achieved.

また図19(A)は、相互容量方式のタッチセンサの構成を示すブロック図である。図19(A)では、パルス電圧出力回路601、電流検知回路602を示している。なお図19(A)では、パルス電圧が与えられる配線612、電流の変化を検知する配線613をそれぞれ、X1乃至X6、Y1乃至Y6の6本の配線として示している。また図19(A)は、配線612及び配線613が重畳することで形成される容量611を図示している。   FIG. 19A is a block diagram illustrating a structure of a mutual capacitive touch sensor. FIG. 19A shows a pulse voltage output circuit 601 and a current detection circuit 602. Note that in FIG. 19A, a wiring 612 to which a pulse voltage is applied and a wiring 613 for detecting a change in current are illustrated as six wirings X1 to X6 and Y1 to Y6, respectively. FIG. 19A illustrates a capacitor 611 formed by the wiring 612 and the wiring 613 overlapping with each other.

パルス電圧出力回路601は、X1乃至X6の配線に順にパルス電圧を印加するための回路である。X1乃至X6の配線にパルス電圧が印加されることで、容量611を形成する配線612及び配線613は、電界が生じる。この電極間に生じる電界が遮蔽等により容量611での相互容量に変化を生じさせることを利用して、被検知体の近接、又は接触を検出することができる。   The pulse voltage output circuit 601 is a circuit for sequentially applying a pulse voltage to the wires X1 to X6. When a pulse voltage is applied to the wirings X1 to X6, an electric field is generated in the wirings 612 and 613 forming the capacitor 611. By utilizing the fact that the electric field generated between the electrodes changes the mutual capacitance in the capacitor 611 due to shielding or the like, it is possible to detect the proximity or contact of the detection target.

電流検知回路602は、容量611での相互容量に変化による、Y1乃至Y6の配線での電流の変化を検知するための回路である。Y1乃至Y6の配線では、被検知体の近接、又は接触がないと検知される電流値に変化はないが、検出する被検知体の近接、又は接触により相互容量が減少する場合に電流値が減少する変化を検知する。なお電流の検知は、積分回路等を用いて行えばよい。   The current detection circuit 602 is a circuit for detecting a change in current in the wirings Y1 to Y6 due to a change in mutual capacitance in the capacitor 611. In the wirings Y1 to Y6, there is no change in the current value detected when there is no proximity or contact with the detected object, but the current value is decreased when the mutual capacitance decreases due to the proximity or contact with the detected object. Detect decreasing changes. Note that current detection may be performed using an integration circuit or the like.

次いで図19(B)には、図19(A)で示す相互容量方式のタッチセンサ部における入出力波形のタイミングチャート図である。図19(B)では、1フレーム(1F)期間で各行列での被検知体の検出を行うものとする。また図19(B)では、被検知体を検出する場合と、被検知体を検出しない場合と、に分けて示している。なおY1乃至Y6の配線については、検知される電流値を電圧値として波形を示している。   Next, FIG. 19B is a timing chart of input / output waveforms in the mutual capacitive touch sensor unit shown in FIG. In FIG. 19B, it is assumed that the detection target is detected in each matrix in one frame (1F) period. In FIG. 19B, the case where the detected body is detected and the case where the detected body is not detected are shown separately. In addition, about the wiring of Y1 thru | or Y6, the waveform is shown by making the detected electric current value into a voltage value.

X1乃至X6の配線には、順にパルス電圧が与えられ、該パルス電圧に従ってY1乃至Y6の配線での波形が変化する。被検知体の近接、又は接触がない場合には、X1乃至X6の配線の電圧の変化に応じてY1乃至Y6の波形が変化する。一方、被検知体の近接、又は接触がある場合には、被検知体の近接、又は接触する箇所では、電流値が減少するため、電圧値の波形も変化する。   A pulse voltage is sequentially applied to the wirings X1 to X6, and the waveforms in the wirings Y1 to Y6 change according to the pulse voltage. When there is no proximity or contact of the detection object, the waveforms of Y1 to Y6 change according to the change of the voltage of the wiring of X1 to X6. On the other hand, when there is proximity or contact with the detected object, the current value decreases at the location where the detected object is close or in contact, and the voltage value waveform also changes.

このように、相互容量の変化を検知することにより、被検知体の近接、又は接触を検出することができる。なお図19(A)、(B)の構成に限らず、別のタッチセンサとしてもよい。   In this way, by detecting the change in mutual capacitance, it is possible to detect the proximity or contact of the detected object. In addition, it is good not only as a structure of FIG. 19 (A) and (B) but another touch sensor.

なおアナログ電位Vinをサンプルホールド回路101に与えるセンサ回路は、複数設けられていてもよい。この場合、図7に示すようにセンサ回路121A、121Bと設けられる場合、サンプルホールド回路101A、101Bを設ける。そしてサンプルホールド回路101A、101Bと、回路102との間にセレクタ122(マルチプレクサともいう。図中、MPXと略記)を設ける。   Note that a plurality of sensor circuits for supplying the analog potential Vin to the sample hold circuit 101 may be provided. In this case, when the sensor circuits 121A and 121B are provided as shown in FIG. 7, sample hold circuits 101A and 101B are provided. A selector 122 (also referred to as a multiplexer, abbreviated as MPX in the figure) is provided between the sample hold circuits 101A and 101B and the circuit 102.

セレクタ122は、選択信号SELにしたがって、サンプルホールド回路101A、101Bのいずれかの一のアナログ電位を選択して回路102に出力する機能を有する。サンプルホールド回路101A、101Bは、それぞれ図1、2で説明したサンプルホールド回路101と同様の機能を有するため、センサ回路121A、121Bで得られるアナログ電位Vin_A、Vin_Bに応じた電荷を保持し、バッファ回路への電源の供給を停止することができる。したがって、消費電力の低減を図るよう動作させることができる。また、サンプルホールド回路101A、101Bで一旦アナログ電位Vin_A、Vin_Bをサンプリングした後は、アナログ電位Vin_A、Vin_Bの供給を停止するために、センサ回路121A、121Bへの電源の供給を停止することができる。したがって、センサ回路121A、121Bの消費電力を低減することができる。   The selector 122 has a function of selecting one of the analog potentials of the sample and hold circuits 101A and 101B in accordance with the selection signal SEL and outputting the selected analog potential to the circuit 102. Since the sample hold circuits 101A and 101B have the same functions as the sample hold circuit 101 described with reference to FIGS. 1 and 2, respectively, the sample hold circuits 101A and 101B hold charges corresponding to the analog potentials Vin_A and Vin_B obtained by the sensor circuits 121A and 121B. The supply of power to the circuit can be stopped. Therefore, the power consumption can be reduced. In addition, once the analog potentials Vin_A and Vin_B are sampled by the sample hold circuits 101A and 101B, the supply of power to the sensor circuits 121A and 121B can be stopped in order to stop the supply of the analog potentials Vin_A and Vin_B. . Therefore, the power consumption of the sensor circuits 121A and 121B can be reduced.

なおセンサ回路で得られるアナログ電位は、一定の場合もあれば、常に変動する場合もある。変動するアナログ電位をサンプリングする場合、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路を介してサンプリングを行えばよい。相関二重サンプリング回路は、2つのタイミングの相対差を得ることで、ノイズ除去の用途に用いられている。   Note that the analog potential obtained by the sensor circuit may be constant or constantly fluctuate. When sampling a fluctuating analog potential, sampling may be performed via a correlated double sampling (CDS) circuit. The correlated double sampling circuit is used for noise removal by obtaining a relative difference between two timings.

図8(A)は、相関二重サンプリング回路の一例を示す。相関二重サンプリング回路は、複数のサンプルホールド回路131A乃至131を有する。図8(A)に示すサンプルホールド回路131A乃至131は、図1(A)で示したサンプルホールド回路101と同等の回路を用いることができる。サンプルホールド回路131Aのトランジスタには制御信号φ1、サンプルホールド回路131B、131Cのトランジスタには制御信号φ2が与えられる。   FIG. 8A shows an example of a correlated double sampling circuit. The correlated double sampling circuit includes a plurality of sample and hold circuits 131A to 131. As the sample hold circuits 131A to 131 shown in FIG. 8A, a circuit equivalent to the sample hold circuit 101 shown in FIG. 1A can be used. A control signal φ1 is applied to the transistors of the sample hold circuit 131A, and a control signal φ2 is applied to the transistors of the sample hold circuits 131B and 131C.

制御信号φ1及びφ2によってオフ状態になるトランジスタにOSトランジスタを用いることで、差を取るためにサンプリングされた電位の変動が少なくすることができる。そのため、相関二重サンプリング回路の精度を高めることができる。また、また一旦電位をサンプリングした後は、サンプルホールド回路131A乃至131が有するバッファ回路への電源の供給を停止することができ、消費電力の低減を図ることができる。   By using an OS transistor as a transistor that is turned off by the control signals φ1 and φ2, the fluctuation of the sampled potential can be reduced to take the difference. Therefore, the accuracy of the correlated double sampling circuit can be increased. In addition, once the potential is sampled, power supply to the buffer circuits included in the sample hold circuits 131A to 131 can be stopped, so that power consumption can be reduced.

図8(B)には、図8(A)に示す相関二重サンプリング回路の動作の一例となるタイミングチャートを示す。なお電位VSensorは、センサ回路121で得られる変動する電位であり、電位VNDTは、相関二重サンプリング回路を経たアナログ電位である。図8(B)に示すように、電位VSensorが変動しても一定の周期でサンプリングして差をとることで、電位VSensorの電圧ΔVは平均化され、電位VNDTは、平均化された一定のアナログ電位として得ることができる。ここで、図8(A)において、サンプルホールド回路131Bはバッファ回路を設ける構成としているが、バッファ回路を設けなくてもよい。 FIG. 8B shows a timing chart as an example of the operation of the correlated double sampling circuit shown in FIG. The potential V Sensor is a varying potential obtained by the sensor circuit 121, and the potential V NDT is an analog potential that has passed through a correlated double sampling circuit. As shown in FIG. 8B, even if the potential V Sensor fluctuates, the voltage ΔV of the potential V Sensor is averaged and the potential V NDT is averaged by sampling at a constant period and taking the difference. It can be obtained as a constant analog potential. Here, in FIG. 8A, the sample hold circuit 131B is provided with a buffer circuit; however, the buffer circuit may not be provided.

次に図9には、サンプルホールド回路131A乃至サンプルホールド回路131Cとして、、図1(B)等に示すサンプルホールド回路101と同等の回路を用いる例を示す。すなわち、それぞれのサンプルホールド回路は、第2のトランジスタと、第2の容量素子と、を有する。第2のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方がノードNDに接続され他方には電位Vaが入力される。第2の容量素子は、一方の電極がノードNDに接続し他方の電極には制御信号が入力される。ここで、サンプルホールド回路131Aが有する第2のトランジスタのゲートには制御信号S41が入力され、サンプルホールド回路131Bおよび131Cが有する第2のトランジスタには制御信号S42が入力される。また、サンプルホールド回路131Aが有する第2の容量の他方の電極には、制御信号S51が入力され、サンプルホールド回路131Bおよび131Cが有する第2の容量の他方の電極には、制御信号S52が入力される。   Next, FIG. 9 illustrates an example in which a circuit equivalent to the sample hold circuit 101 illustrated in FIG. 1B or the like is used as the sample hold circuit 131A to the sample hold circuit 131C. That is, each sample and hold circuit includes a second transistor and a second capacitor. In the second transistor, one of a source and a drain is connected to the node ND, and the potential Va is input to the other. In the second capacitor element, one electrode is connected to the node ND, and a control signal is input to the other electrode. Here, the control signal S41 is input to the gate of the second transistor included in the sample hold circuit 131A, and the control signal S42 is input to the second transistor included in the sample hold circuits 131B and 131C. The control signal S51 is input to the other electrode of the second capacitor of the sample hold circuit 131A, and the control signal S52 is input to the other electrode of the second capacitor of the sample hold circuits 131B and 131C. Is done.

図10には、図9に示す回路の動作を説明するタイミングチャートを示す。制御信号S52は制御信号φ2の逆位相の信号が、制御信号S51には制御信号φ1の逆位相の信号が、それぞれ入力される。   FIG. 10 is a timing chart for explaining the operation of the circuit shown in FIG. The control signal S52 is inputted with a signal having a phase opposite to that of the control signal φ2, and the control signal S51 is inputted with a signal having a phase opposite to that of the control signal φ1.

まず、制御信号S42をハイレベルとする。次に、制御信号S42をロウレベルとし、制御信号φ2をハイレベルとし、制御信号S52をロウレベルとし、サンプルホールド回路131CのノードNDには電位Vsensorが増幅された電位に応じた電荷が蓄積される。また、サンプルホールド回路131BのノードNDの電位は、サンプルホールド回路131Aに、以前に保存されたデータに応じた電荷が蓄積される。   First, the control signal S42 is set to the high level. Next, the control signal S42 is set to the low level, the control signal φ2 is set to the high level, the control signal S52 is set to the low level, and a charge corresponding to the potential obtained by amplifying the potential Vsensor is accumulated in the node ND of the sample hold circuit 131C. In addition, as for the potential of the node ND of the sample hold circuit 131B, charges corresponding to previously stored data are accumulated in the sample hold circuit 131A.

次に、制御信号S41をハイレベルとする。次に、制御信号S41をロウレベルとし、制御信号φ1をハイレベルとし、制御信号S51をロウレベルとし、サンプルホールド回路131AのノードNDには電位Vsensorが増幅された電位に応じた電荷が蓄積される。ここで、電位VNDTは、サンプルホールド回路131Bに蓄積されていた電荷と、サンプルホールド回路131Aに蓄積された電荷が平均化された値となる。 Next, the control signal S41 is set to the high level. Next, the control signal S41 is set to the low level, the control signal φ1 is set to the high level, the control signal S51 is set to the low level, and a charge corresponding to the potential obtained by amplifying the potential Vsensor is accumulated in the node ND of the sample hold circuit 131A. Here, the potential V NDT is a value obtained by averaging the charge accumulated in the sample hold circuit 131B and the charge accumulated in the sample hold circuit 131A.

次いで図11には、回路102の回路構成の一例を示す。図11に示す回路102はPチャネル型のトランジスタ141乃至153、Nチャネル型のトランジスタ154乃至166、及び抵抗素子167で構成される。なお図6中、端子INPが非反転入力端子、端子INMが反転入力端子に相当する。   Next, FIG. 11 illustrates an example of a circuit configuration of the circuit 102. A circuit 102 illustrated in FIG. 11 includes P-channel transistors 141 to 153, N-channel transistors 154 to 166, and a resistance element 167. In FIG. 6, the terminal INP corresponds to a non-inverting input terminal, and the terminal INM corresponds to an inverting input terminal.

次いで図12(A)には、発振回路106の回路構成の一例を示す。図12(A)に示す発振回路106はPチャネル型のトランジスタ171、インバータ回路172、Nチャネル型のトランジスタ173、及びバイアス電圧生成回路174で構成される。なお図6中、端子BIASPが正のバイアス電圧を与える端子、端子BIASMが負のバイアス電圧を与える端子に相当する。   Next, FIG. 12A illustrates an example of a circuit configuration of the oscillation circuit 106. The oscillation circuit 106 illustrated in FIG. 12A includes a P-channel transistor 171, an inverter circuit 172, an N-channel transistor 173, and a bias voltage generation circuit 174. In FIG. 6, the terminal BIASP corresponds to a terminal that applies a positive bias voltage, and the terminal BIASP corresponds to a terminal that applies a negative bias voltage.

図12(B)には、図12(A)に示すバイアス電圧生成回路174の回路構成の一例を示す。図12(B)に示すバイアス電圧生成回路174はPチャネル型のトランジスタ176乃至181、Nチャネル型のトランジスタ183乃至188、抵抗素子189、及び容量素子190乃至193で構成される。   FIG. 12B illustrates an example of a circuit configuration of the bias voltage generation circuit 174 illustrated in FIG. The bias voltage generation circuit 174 shown in FIG. 12B includes P-channel transistors 176 to 181, N-channel transistors 183 to 188, a resistance element 189, and capacitor elements 190 to 193.

次いで図13(A)には、デジタルアナログ変換回路104の回路構成の一例を示す。なお図13(A)では10ビットのC−DACを示す。また図13(A)では、説明のため、サンプルホールド回路101、回路102を併せて図示している。図13(A)に示すデジタルアナログ変換回路104は容量素子193、セレクタ194、195、196及びトランジスタ197で構成される。容量素子193は、ビット数に応じた容量値を有する。容量値の一例は、図13(A)中、容量素子193に付して示している。またセレクタ194,195は、容量素子193に対応して設けられる。また、図示しないが図8(A)において、サンプルホールド回路101には電位Vaが入力されることが好ましい。   Next, FIG. 13A illustrates an example of a circuit configuration of the digital-analog converter circuit 104. FIG. 13A shows a 10-bit C-DAC. In FIG. 13A, the sample hold circuit 101 and the circuit 102 are shown together for explanation. A digital-analog conversion circuit 104 illustrated in FIG. 13A includes a capacitor 193, selectors 194, 195, and 196 and a transistor 197. The capacitor 193 has a capacitance value corresponding to the number of bits. An example of the capacitance value is attached to the capacitor 193 in FIG. The selectors 194 and 195 are provided corresponding to the capacitor 193. Further, although not illustrated, in FIG. 8A, the potential Va is preferably input to the sample hold circuit 101.

図13(B)には、図13(A)に示すセレクタ194、195、196の回路構成の一例を示す。なおセレクタ195、196の端子SELには、制御信号S2が与えられる。なおセレクタ194、195の端子Aには、セレクタ196で選択される電位が与えられる。なおセレクタ196の端子Aには、参照電位Vrefが与えられる。なおセレクタ194、195、196の端子Bには、グラウンド電位が与えられる。   FIG. 13B illustrates an example of a circuit configuration of the selectors 194, 195, and 196 illustrated in FIG. A control signal S2 is given to the terminals SEL of the selectors 195 and 196. Note that the potential selected by the selector 196 is applied to the terminals A of the selectors 194 and 195. Note that the reference potential Vref is applied to the terminal A of the selector 196. A ground potential is applied to the terminal B of the selectors 194, 195, and 196.

また図13(C)には、図13(B)に示すセレクタのより具体的な回路構成の一例を示す。図13(C)に示すセレクタは、インバータ回路198、Nチャネル型のトランジスタ135、136、Pチャネル型のトランジスタ137,138で構成される。   FIG. 13C illustrates an example of a more specific circuit configuration of the selector illustrated in FIG. The selector shown in FIG. 13C includes an inverter circuit 198, N-channel transistors 135 and 136, and P-channel transistors 137 and 138.

図14に示す半導体装置100は、サンプルホールド回路101、逐次比較レジスタ103、デジタルアナログ変換回路104、タイミングコントローラ105、及び発振回路106を有する。   A semiconductor device 100 illustrated in FIG. 14 includes a sample and hold circuit 101, a successive approximation register 103, a digital / analog conversion circuit 104, a timing controller 105, and an oscillation circuit 106.

図14に示す半導体装置100の構成で図5と異なる点は、デジタルアナログ変換回路104内にデジタルデータを保持するためのトランジスタ211、及び容量素子212を有する点にある。トランジスタ211のゲートには、各ビットに対応して、オンまたはオフを制御するための制御信号S3value[N−1:0]がタイミングコントローラ105より与えられる。本実施の形態では、実施の形態1と異なる点に関して詳細に説明し、実施の形態1と重複する点に関しては説明を省略する。 The configuration of the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 14 is different from that illustrated in FIG. 5 in that the digital-analog conversion circuit 104 includes a transistor 211 and a capacitor 212 for holding digital data. A control signal S3 value [N-1: 0] for controlling on or off is supplied from the timing controller 105 to the gate of the transistor 211 in correspondence with each bit. In the present embodiment, points that are different from the first embodiment will be described in detail, and descriptions of points that overlap with the first embodiment will be omitted.

トランジスタ211及び容量素子212は、トランジスタ211をオフにすることで、ノードNDDACにデジタルデータの電位に応じた電荷を保持することで、デジタルデータを保持する。トランジスタ211は、トランジスタ112と同様にオフ状態でのソースードレイン間を流れる電流が極めて低い機能を有するトランジスタであり、OSトランジスタであることが好適である。なおデジタルデータの電位に応じた電荷を保持する、トランジスタ211及び容量素子212を有する回路を、回路20と図示している。ここで、回路20は図14に示すように、トランジスタ217および容量素子216とを有してもよい。トランジスタ217のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ211のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ217のソースまたはドレインの他方には、電位Vaが入力されることが好ましい。容量素子216の一方の電極は、トランジスタ211のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。 The transistor 211 and the capacitor 212 hold digital data by holding the charge corresponding to the potential of the digital data in the node ND DAC by turning off the transistor 211. The transistor 211 is a transistor having a function of extremely low current flowing between the source and the drain in the off state, like the transistor 112, and is preferably an OS transistor. Note that a circuit including a transistor 211 and a capacitor 212 that holds charges corresponding to the potential of digital data is illustrated as a circuit 20. Here, the circuit 20 may include a transistor 217 and a capacitor 216 as illustrated in FIG. One of a source and a drain of the transistor 217 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 211. Further, the potential Va is preferably input to the other of the source and the drain of the transistor 217. One electrode of the capacitor 216 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 211.

デジタルアナログ変換回路104内において、デジタルデータを保持する場合、図13(A)乃至(C)で説明したセレクタ194にトランジスタ211及び容量素子212を追加する構成とすればよい。また、セレクタ194には、トランジスタ217および容量素子216を追加してもよい。図17(A)、(B)には、セレクタ194にトランジスタ211、容量素子212、トランジスタ217および容量素子216を追加した回路図の一例を示す。なお図17(A)、(B)では、制御信号S3value[N−1:0]として、0ビット目の制御信号S3value[0]をトランジスタ211のゲートに与える例を示している。 In the case where digital data is held in the digital-analog converter circuit 104, a transistor 211 and a capacitor 212 may be added to the selector 194 described with reference to FIGS. In addition, a transistor 217 and a capacitor 216 may be added to the selector 194. 17A and 17B each illustrate an example of a circuit diagram in which a transistor 211, a capacitor 212, a transistor 217, and a capacitor 216 are added to the selector 194. In FIG. 17 (A), (B) , the control signal S3 value: as [N-1 0], shows an example of giving 0 control signal S3 bit value of [0] to the gate of the transistor 211.

図17の構成とすることで、サンプルホールド回路101、回路102、逐次比較レジスタ103、及びデジタルアナログ変換回路104への電源の供給を停止していくことで消費電力の低減を図ることができる。アナログ電位Vinに応じた電荷をサンプルホールド回路101内に保持することで、バッファ回路111への電源を停止することができる。また、デジタルアナログ変換回路104内のデジタルデータが各ビットで確定していく毎に逐次比較レジスタ103内のレジスタへの電源の供給を停止することができる。また、回路102、及びデジタルアナログ変換回路104への電源の供給を停止することができる。   With the configuration in FIG. 17, power consumption can be reduced by stopping the supply of power to the sample hold circuit 101, the circuit 102, the successive approximation register 103, and the digital-analog conversion circuit 104. By holding the charge corresponding to the analog potential Vin in the sample hold circuit 101, the power supply to the buffer circuit 111 can be stopped. Further, the supply of power to the register in the successive approximation register 103 can be stopped every time the digital data in the digital-analog conversion circuit 104 is determined by each bit. Further, power supply to the circuit 102 and the digital-analog conversion circuit 104 can be stopped.

次に、半導体装置100の具体的な動作の説明をするために、図15には図14の構成において、2ビットのADコンバータとした回路構成を示す。図15中、逐次比較レジスタ103には、0ビットのデジタルデータを保持するレジスタ221と、1ビットのデジタルデータを保持するレジスタ222とを図示している。またレジスタ221への電源の供給又は停止を制御する制御信号Pvalue[0]、レジスタ222への電源の供給又は停止を制御する制御信号Pvalue[1]を図示している。またバッファ回路111への電源の供給又は停止を制御する制御信号P111、デジタルアナログ変換回路104への電源の供給又は停止を制御する制御信号PDAC、回路102への電源の供給又は停止を制御する制御信号PCompを図示している。 Next, in order to describe a specific operation of the semiconductor device 100, FIG. 15 shows a circuit configuration of a 2-bit AD converter in the configuration of FIG. In FIG. 15, the successive approximation register 103 shows a register 221 that holds 0-bit digital data and a register 222 that holds 1-bit digital data. Further, a control signal P value [0] for controlling supply or stop of power to the register 221 and a control signal P value [1] for controlling supply or stop of power to the register 222 are illustrated. Further, a control signal P 111 for controlling supply or stop of power supply to the buffer circuit 111, a control signal P DAC for controlling supply or stop of power supply to the digital / analog conversion circuit 104, and control of supply or stop of power supply to the circuit 102 A control signal P Comp is shown.

次いで図16に示すタイミングチャートを用いて図15の半導体装置100の動作について説明する。なお一例として、VDDは3V、VSSは0V、Vrefは2V、Vboutは1.5Vとする。なお1,5Vのアナログ値を2ビットのデジタル値への変換を行う場合、「00」、「01」、「10」、「11」のデジタル値に対応する状態が存在し、それぞれ、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vのアナログ値に相当するとして説明する。なお図中の斜線部231は、前のデータが保持された状態を表している。   Next, the operation of the semiconductor device 100 in FIG. 15 will be described with reference to a timing chart shown in FIG. As an example, VDD is 3V, VSS is 0V, Vref is 2V, and Vbout is 1.5V. When converting an analog value of 1,5V to a 2-bit digital value, there are states corresponding to digital values of “00”, “01”, “10”, and “11”, and 0 .. The description will be made assuming that the analog values are 5V, 1.0V, 1.5V, and 2.0V. A hatched portion 231 in the figure represents a state in which previous data is held.

信号SADCがタイミングコントローラ105に入力されると、タイミングコントローラは発振回路106の動作を開始させ、クロック信号CLKを出力させる。信号SADCがタイミングコントローラ105に入力されると、タイミングコントローラ105はサンプルホールド回路101に制御信号S1を出力する。タイミングコントローラ105は、デジタルアナログ変換回路104、逐次比較レジスタ103に制御信号S2を出力する。タイミングコントローラ105は、デジタルアナログ変換回路104、逐次比較レジスタ103に制御信号S3value[1:0]を出力する。 When the signal S ADC is input to the timing controller 105, the timing controller starts the operation of the oscillation circuit 106 and outputs the clock signal CLK. When the signal S ADC is input to the timing controller 105, the timing controller 105 outputs a control signal S 1 to the sample hold circuit 101. The timing controller 105 outputs a control signal S <b> 2 to the digital / analog conversion circuit 104 and the successive approximation register 103. The timing controller 105 outputs a control signal S3 value [1: 0] to the digital-analog conversion circuit 104 and the successive approximation register 103.

図16において制御信号S1は、信号SADCと同じ波形の信号にしているが、半導体装置100が正常に動作する範囲であれば別の波形の信号でも構わない。制御信号S1により、サンプルホールド回路101が動作を開始する。サンプルホールド回路101に入力されたアナログ電位Vinはバッファ回路111で増幅されてVboutとしてバッファ回路111より出力される。Vboutは、トランジスタをオンにすることでノードNDに与えられ、トランジスタ112をオフにすることでノードNDに1.5Vのアナログ電位として保持される。 In FIG. 16, the control signal S1 is a signal having the same waveform as the signal S ADC , but may be a signal having a different waveform as long as the semiconductor device 100 operates normally. The sample and hold circuit 101 starts operating in response to the control signal S1. The analog potential Vin input to the sample hold circuit 101 is amplified by the buffer circuit 111 and output from the buffer circuit 111 as Vbout. Vbout is supplied to the node ND by turning on the transistor, and is held as an analog potential of 1.5 V at the node ND by turning off the transistor 112.

図16において制御信号S2は、クロック信号CLKと同じ波形の信号にしているが、半導体装置100が正常に動作する範囲であれば別の波形の信号でも構わない。制御信号S2により、逐次比較レジスタ103をリセットする。また制御信号S1及び制御信号S2により、デジタルアナログ変換回路104をリセットする。   In FIG. 16, the control signal S2 is a signal having the same waveform as the clock signal CLK, but may be a signal having a different waveform as long as the semiconductor device 100 operates normally. The successive approximation register 103 is reset by the control signal S2. Further, the digital-analog converter circuit 104 is reset by the control signal S1 and the control signal S2.

図16において制御信号S3value[1:0]は、各ビットのデジタルデータが確定するまでハイレベルとしているが、半導体装置100が正常に動作する範囲であれば別の波形の信号でも構わない。制御信号S3value[1:0]により、各ビットのデジタルデータが確定した後、デジタルデータを保持するようにトランジスタ211のオンまたはオフを制御する。 In FIG. 16, the control signal S3 value [1: 0] is at a high level until the digital data of each bit is determined, but may be a signal having a different waveform as long as the semiconductor device 100 operates normally. After the digital data of each bit is determined by the control signal S3 value [1: 0] , on / off of the transistor 211 is controlled so as to hold the digital data.

制御信号S1によりトランジスタ112をオフにすることでノードNDに1.5Vのアナログ電位として保持した後、制御信号P111によってサンプルホールド回路101のバッファ回路111への電源の供給が停止される。バッファ回路111への電源の供給が停止しても、トランジスタ112がオフになっているため、消費電力を低減しつつ、アナログ電位の保持を可能とすることができる。 After holding the analog potential of 1.5V to node ND by the control signal S1 by turning off the transistor 112, the power supply to the buffer circuit 111 of the sample and hold circuit 101 is stopped by the control signal P 111. Even when the supply of power to the buffer circuit 111 is stopped, the transistor 112 is off, so that the analog potential can be held while power consumption is reduced.

制御信号S2により逐次比較レジスタ103をリセットすることで、レジスタ221及びレジスタ222は「00」に初期化される。レジスタ221及びレジスタ222は「11」に初期化されても良い。   By resetting the successive approximation register 103 with the control signal S2, the register 221 and the register 222 are initialized to “00”. The register 221 and the register 222 may be initialized to “11”.

制御信号S3value[1:0]によりトランジスタ211をオンにすることで、各ビットのデジタルデータがデジタルアナログ変換回路104に与えられる。 By turning on the transistor 211 with the control signal S3 value [1: 0] , digital data of each bit is supplied to the digital-analog conversion circuit 104.

続いて、クロック信号CLKの一周期目の立ち上がりで、タイミングコントローラ105は、逐次比較レジスタ103のレジスタ222にある、最上位ビットである1ビットのデジタルデータを「1」にする。また、制御信号S2により、デジタルアナログ変換回路104は逐次比較レジスタ103のデジタルデータ「10」を1.5Vのアナログ電位DACoutに変換し、回路102に出力する。そして、回路102は、ノードNDに保持されたアナログ電位Vboutである1.5Vと、デジタルアナログ変換されたアナログ電位DACoutである1.5Vとを比較し、Vboutが、アナログ電位DACout以上であれば信号cmpoutはハイレベルを、未満であればロウレベルを出力する。ここでは、1.5Vのアナログ電位同士を比較しているので、信号cmpoutはハイレベルとなる。信号cmpoutは、逐次比較レジスタ103に入力される。   Subsequently, at the rising edge of the first cycle of the clock signal CLK, the timing controller 105 sets 1-bit digital data, which is the most significant bit, in the register 222 of the successive approximation register 103 to “1”. Further, in accordance with the control signal S 2, the digital-analog conversion circuit 104 converts the digital data “10” of the successive approximation register 103 into an analog potential DACout of 1.5 V and outputs it to the circuit 102. Then, the circuit 102 compares the analog potential Vbout held at the node ND of 1.5V with the digital / analog converted analog potential DACout of 1.5V, and if Vbout is equal to or higher than the analog potential DACout, The signal cmpout outputs a high level, and if it is less, it outputs a low level. Here, since the analog potentials of 1.5 V are compared, the signal cmpout is at a high level. The signal cmpout is input to the successive approximation register 103.

続いてタイミングコントローラ105は、上位ビットである1ビットのデジタルデータが「1」に確定したため、クロック信号CLKの一周期目の立ち下がりで制御信号S3value[1]をロウレベルにし、トランジスタ211をオフにして、デジタルアナログ変換回路104内に1ビットのデジタルデータを保持させる。また、制御信号Pvalue[1]をロウレベルとし、逐次比較レジスタ103のレジスタ222への電源の供給が停止する。レジスタ222への電源の供給を停止しても、トランジスタ211がオフになっているため、消費電力を低減しつつ、デジタルアナログ変換回路104内にデジタルデータの保持を可能とすることができる。 Subsequently, since the 1-bit digital data which is the upper bit is determined to be “1”, the timing controller 105 sets the control signal S3 value [1] to the low level at the falling edge of the first cycle of the clock signal CLK, and turns off the transistor 211. Thus, 1-bit digital data is held in the digital-analog conversion circuit 104. Further, the control signal P value [1] is set to the low level, and the supply of power to the register 222 of the successive approximation register 103 is stopped. Even when the supply of power to the register 222 is stopped, the transistor 211 is off, so that digital data can be held in the digital-analog converter circuit 104 while reducing power consumption.

続いて、クロック信号CLKの二周期目の立ち上がりで、タイミングコントローラ105は、逐次比較レジスタ103のレジスタ221にある、最下位ビットである0ビットのデジタルデータを「1」にする。また、制御信号S2により、デジタルアナログ変換回路104は逐次比較レジスタ103のデジタルデータ「11」を2.0Vのアナログ電位に変換し、回路102に出力する。そして、回路102は、ノードNDに保持されたアナログ電位Vboutである1.5Vと、デジタルアナログ変換されたアナログ電位DACoutである2.0Vとを比較し、アナログ電位Vboutが、アナログ電位DACout以上であれば信号cmpoutはハイレベルを、未満であればロウレベルを出力する。ここでは、1.5Vのアナログ電位Vboutと、2.0Vのアナログ電位DACoutとが比較されているので、信号cmpoutはロウレベルとなる。信号cmpoutは、逐次比較レジスタ103に入力される。   Subsequently, at the rising edge of the second cycle of the clock signal CLK, the timing controller 105 sets the 0-bit digital data, which is the least significant bit, in the register 221 of the successive approximation register 103 to “1”. Further, in accordance with the control signal S 2, the digital-analog conversion circuit 104 converts the digital data “11” of the successive approximation register 103 into an analog potential of 2.0 V and outputs it to the circuit 102. Then, the circuit 102 compares the analog potential Vbout held at the node ND of 1.5V with the digital / analog converted analog potential DACout of 2.0V, and the analog potential Vbout is equal to or higher than the analog potential DACout. If there is, the signal cmpout outputs a high level, and if it is less, it outputs a low level. Here, since the analog potential Vbout of 1.5 V and the analog potential DACout of 2.0 V are compared, the signal cmpout is at a low level. The signal cmpout is input to the successive approximation register 103.

続いてタイミングコントローラ105は、下位ビットである0ビットのデジタルデータが「0」に確定したため、クロック信号CLKの二周期目の立ち下がりで制御信号S3value[0]をロウレベルにし、トランジスタ211をオフにして、デジタルアナログ変換回路104内に0ビットのデジタルデータを保持させる。また、制御信号Pvalue[0]をロウレベルとし、逐次比較レジスタ103のレジスタ221への電源の供給が停止する。レジスタ221への電源の供給を停止しても、トランジスタ211がオフになっているため、消費電力を低減しつつ、デジタルアナログ変換回路104内にデジタルデータの保持を可能とすることができる。 Subsequently, since the 0-bit digital data, which is the lower bit, is determined to be “0”, the timing controller 105 sets the control signal S3 value [0] to the low level at the fall of the second cycle of the clock signal CLK, and turns off the transistor 211. Thus, 0-bit digital data is held in the digital-analog conversion circuit 104. In addition, the control signal P value [0] is set to a low level, and the supply of power to the register 221 of the successive approximation register 103 is stopped. Even when the supply of power to the register 221 is stopped, the transistor 211 is off, so that digital data can be held in the digital-analog converter circuit 104 while reducing power consumption.

またタイミングコントローラ105は、クロック信号CLKの二周期目の立ち下がりで制御信号PComp、ADCをロウレベルとし、回路102及びデジタルアナログ変換回路104への電源の供給が停止する。回路102及びデジタルアナログ変換回路104への電源を停止しても、トランジスタ211がオフになっているため、消費電力を低減しつつ、デジタルアナログ変換回路104内にデジタルデータの保持を可能とすることができる。 In addition, the timing controller 105 sets the control signals P Comp and P ADC to the low level at the falling edge of the second cycle of the clock signal CLK, and the supply of power to the circuit 102 and the digital-analog conversion circuit 104 is stopped. Even when power to the circuit 102 and the digital-analog converter circuit 104 is stopped, the transistor 211 is turned off, so that digital data can be held in the digital-analog converter circuit 104 while reducing power consumption. Can do.

こうして、1.5Vの、アナログ電位Vboutが、2ビットのデジタルデータ「10」に変換される。   Thus, the analog potential Vbout of 1.5 V is converted into 2-bit digital data “10”.

本実施の形態で開示する構成は、OSトランジスタを用いて電源の供給が停止した後でもアナログデータあるいはデジタルデータの電位を保持することができるので、各回路への電源の供給を停止し、消費電力を低減することができる。また、デジタルデータが確定後に、ADコンバータとして機能する半導体装置全体の電源の供給を停止することで、次にアナログ電位Vboutが入力されるまでの間、消費電力を低減することができる。   In the structure disclosed in this embodiment mode, the potential of analog data or digital data can be held even after the supply of power is stopped using an OS transistor, so that the supply of power to each circuit is stopped and consumed. Electric power can be reduced. Further, by stopping the power supply of the entire semiconductor device functioning as an AD converter after the digital data is determined, power consumption can be reduced until the next analog potential Vbout is input.

以上説明した、ADコンバータとして機能する本実施の形態の半導体装置は、上記実施の形態1と同様に、センサ等によって取得したアナログ電位Vboutを、オフ電流が極めて低いトランジスタを有するサンプルホールド回路101に保持させる。加えて確定したデジタルデータをデジタルアナログ変換回路内に保持させる。そして本発明の一態様は、半導体装置が有する各回路への電源の供給を停止し、消費電力の低減を図ることができる。   As described above, in the semiconductor device of this embodiment functioning as an AD converter as described above, the analog potential Vbout obtained by a sensor or the like is applied to the sample hold circuit 101 having a transistor with extremely low off-state current. Hold. In addition, the determined digital data is held in the digital-analog conversion circuit. In one embodiment of the present invention, power supply to each circuit included in a semiconductor device can be stopped to reduce power consumption.

また本実施の形態の半導体装置は、駆動電圧やクロック信号の周波数を抑えることなく、消費電力の低減を図ることができるため、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下させないようにすることができる。また本実施の形態の半導体装置は、フラッシュメモリ等を用いることなくアナログデータを保持することができるため、専用の高電圧生成回路や周辺回路を設けずに、消費電力の低減を図ることができる。   In addition, since the semiconductor device of this embodiment can reduce power consumption without suppressing the drive voltage and the frequency of the clock signal, the AD converter performance such as resolution and sampling rate should not be deteriorated. Can do. In addition, since the semiconductor device of this embodiment can hold analog data without using a flash memory or the like, power consumption can be reduced without providing a dedicated high voltage generation circuit or a peripheral circuit. .

(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体装置の断面構造の一例について、図21を参照して説明する。本実施の形態の例では、シリコンなどを用いたトランジスタ(Siトランジスタ)で形成された回路に積層して、OSトランジスタで形成する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device is described with reference to FIGS. In the example of this embodiment mode, an OS transistor is formed by stacking on a circuit formed by a transistor (Si transistor) using silicon or the like.

図21には、半導体装置の一部の断面を示す。図21に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料(例えば、シリコン)を用いたn型のトランジスタ及びp型のトランジスタを有し、上部に第2の半導体材料(例えば、酸化物半導体)を用いたトランジスタ、及び容量素子を有する。   FIG. 21 illustrates a partial cross section of the semiconductor device. The semiconductor device illustrated in FIG. 21 includes an n-type transistor and a p-type transistor using a first semiconductor material (eg, silicon) in a lower portion, and a second semiconductor material (eg, an oxide semiconductor) in an upper portion. And a capacitor and a capacitor.

第1の半導体材料を用いたトランジスタは基板270に形成されている。基板270としては、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板や、SOI基板などを用いることができる。   A transistor using the first semiconductor material is formed over the substrate 270. As the substrate 270, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used.

また、基板270として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルム、などを用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。   Further, as the substrate 270, for example, a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having a stainless steel foil, a tungsten substrate, a substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, a bonded substrate A laminated film, paper containing a fibrous material, a base film, or the like may be used. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. As an example of the flexible substrate, there are plastics typified by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES), or a synthetic resin having flexibility such as acrylic. Examples of the laminated film include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. Examples of the base film include polyester, polyamide, polyimide, aramid, epoxy, inorganic vapor deposition film, and papers.

なお、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置してもよい。半導体素子が転置される基板の一例としては、上述した基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル)などを含む)、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。   Note that a semiconductor element may be formed using a certain substrate, and then the semiconductor element may be transferred to another substrate. Examples of substrates on which semiconductor elements are transferred include paper substrates, cellophane substrates, aramid film substrates, polyimide film substrates, stone substrates, wood substrates, cloth substrates (natural fibers (silk, cotton, hemp)) , Synthetic fibers (nylon, polyurethane, polyester) or recycled fibers (including acetate, cupra, rayon, recycled polyester), leather substrate, rubber substrate, and the like. By using these substrates, it is possible to form a transistor with good characteristics, a transistor with low power consumption, manufacture a device that is not easily broken, impart heat resistance, reduce weight, or reduce thickness.

図21では一例として、基板270に単結晶シリコンウェハを用いた例を示している。   FIG. 21 shows an example in which a single crystal silicon wafer is used for the substrate 270 as an example.

FET層260には第1の半導体材料を用いた半導体素子、例えばSiトランジスタ等が設けられる。図21には代表的に、SiトランジスタとしてトランジスタM71乃至M73を示す。FET層260上に配線層W−Wが積層されている。配線層WにFET層261が積層されている。 The FET layer 260 is provided with a semiconductor element using the first semiconductor material, such as a Si transistor. FIG. 21 representatively shows transistors M71 to M73 as Si transistors. Wiring layers W 1 -W 4 are stacked on the FET layer 260. FET layer 261 is laminated on the wiring layer W 4.

トランジスタM71は、ウェル271に設けられたチャネル形成領域272と、チャネル形成領域272を挟むように設けられた低濃度不純物領域273及び高濃度不純物領域274(これらを合わせて単に不純物領域とも呼ぶ)と、該不純物領域に接して設けられた導電性領域275と、チャネル形成領域272上に設けられたゲート絶縁膜276と、ゲート絶縁膜276上に設けられたゲート電極277と、を有する。ゲート電極277の側面には、サイドウォール絶縁膜278、279が設けられている。なお、導電性領域275には、金属シリサイド等を用いることができる。また、トランジスタM72はトランジスタM71と極性の異なるトランジスタとすればよい。例えば、トランジスタM71をn型のトランジスタ、トランジスタM72をp型のトランジスタ、トランジスタM73をn型のトランジスタとすればよい。   The transistor M71 includes a channel formation region 272 provided in the well 271 and a low-concentration impurity region 273 and a high-concentration impurity region 274 provided so as to sandwich the channel formation region 272 (these are also simply referred to as impurity regions). A conductive region 275 provided in contact with the impurity region; a gate insulating film 276 provided over the channel formation region 272; and a gate electrode 277 provided over the gate insulating film 276. Sidewall insulating films 278 and 279 are provided on the side surfaces of the gate electrode 277. Note that a metal silicide or the like can be used for the conductive region 275. The transistor M72 may be a transistor having a polarity different from that of the transistor M71. For example, the transistor M71 may be an n-type transistor, the transistor M72 may be a p-type transistor, and the transistor M73 may be an n-type transistor.

FET層261はOSトランジスタが形成される層であり、トランジスタM70が形成されている。ここでは、トランジスタM70の構造は、図37に示すトランジスタ600と同様である。トランジスタM70の第2のゲート(バックゲート)として、配線層Wに導電層280が形成されている。また、容量C71は、トランジスタM70においてソースとドレインを短絡し、容量として用いる構造である。 The FET layer 261 is a layer where an OS transistor is formed, and a transistor M70 is formed. Here, the structure of the transistor M70 is similar to that of the transistor 600 illustrated in FIG. As a second gate of the transistor M70 (back gate), the conductive layer 280 is formed on the wiring layer W 4. The capacitor C71 has a structure in which the source and the drain are short-circuited and used as a capacitor in the transistor M70.

FET層261に配線層W、Wが積層され、配線層Wに容量C70が積層され、容量C70に配線層W、Wが積層されている。容量C70は、導電層281、282を有する。ここでは、導電層281が形成される層を配線層として利用している。容量C70をFET層261に積層して設けることで、容量C70の容量を大きくすることが容易である。また、容量C70の容量の大きさによるが、容量C70をFET層261に設けることも可能である。この場合、トランジスタM70のソース電極およびドレイン電極と同じ層の導電層と、同ゲート電極と同じ層の導電層とで、2つの電極を形成すればよい。FET層261に容量C70を設けることで、工程数が削減できるため、製造コストの削減につながる。 Wiring layers W 5 , W 6 are stacked on the FET layer 261, a capacitor C 70 is stacked on the wiring layer W 7 , and wiring layers W 8 , W 9 are stacked on the capacitor C 70. The capacitor C70 includes conductive layers 281 and 282. Here, the layer in which the conductive layer 281 is formed is used as a wiring layer. By providing the capacitor C70 on the FET layer 261, it is easy to increase the capacity of the capacitor C70. Further, the capacitor C70 can be provided in the FET layer 261 depending on the size of the capacitor C70. In this case, two electrodes may be formed using the same conductive layer as the source and drain electrodes of the transistor M70 and the same conductive layer as the gate electrode. Providing the capacitor C70 in the FET layer 261 can reduce the number of processes, leading to a reduction in manufacturing cost.

絶縁層291乃至293は、水素、水等に対するブロッキング効果を有する絶縁物で形成されている層を少なくとも1層含むことが好ましい。水、水素等は酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つであるので、水素、水等に対するブロッキング層を設けることにより、トランジスタM70の信頼性を向上することができる。水素、水等に対するブロッキング効果を有する絶縁物には、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等がある。   The insulating layers 291 to 293 preferably include at least one layer formed of an insulator having a blocking effect against hydrogen, water, and the like. Since water, hydrogen, and the like are one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor, the reliability of the transistor M70 can be improved by providing a blocking layer for hydrogen, water, and the like. Examples of the insulator having a blocking effect against hydrogen, water, and the like include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, and yttria-stabilized zirconia (YSZ). ) Etc.

図21の符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は、絶縁体で構成されている。上記絶縁体には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上の材料を含む絶縁体を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本明細書において、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいい、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。   The area | region where the code | symbol and hatching pattern of FIG. 21 are not given is comprised with the insulator. Examples of the insulator include aluminum oxide, aluminum nitride oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and hafnium oxide. An insulator containing one or more materials selected from tantalum oxide and the like can be used. In the region, an organic resin such as a polyimide resin, a polyamide resin, an acrylic resin, a siloxane resin, an epoxy resin, or a phenol resin can be used. Note that in this specification, an oxynitride refers to a compound having a higher oxygen content than nitrogen, and a nitride oxide refers to a compound having a higher nitrogen content than oxygen.

半導体基板として、単結晶半導体基板を用いることにより、トランジスタM71及びトランジスタM72を、高速動作させることができ、また、しきい値を精密に制御できる。よって、先の実施の形態に示す半導体装置におけるサンプルホールド回路、コンパレータ、逐次変換レジスタ、アナログデジタル変換回路、タイミングコントローラ、発振回路の全部または一部等を、単結晶半導体基板に形成することが好ましい。   By using a single crystal semiconductor substrate as the semiconductor substrate, the transistor M71 and the transistor M72 can be operated at high speed, and the threshold value can be precisely controlled. Therefore, it is preferable to form all or part of the sample-and-hold circuit, the comparator, the successive approximation register, the analog-digital conversion circuit, the timing controller, the oscillation circuit, and the like in the semiconductor device described in the above embodiment over a single crystal semiconductor substrate. .

ここで例えば、トランジスタM70、トランジスタM71、容量C70および容量C71をそれぞれ、図1(B)等に示すトランジスタ112、トランジスタ117、容量素子113および容量素子116として用いてもよい。   Here, for example, the transistor M70, the transistor M71, the capacitor C70, and the capacitor C71 may be used as the transistor 112, the transistor 117, the capacitor 113, and the capacitor 116 illustrated in FIG.

図21において、トランジスタM70のソースまたはドレインの一方は、配線層W、W等を経て容量C70の導電層281と電気的に接続される。また、トランジスタM70のドレインまたはソースの一方は、配線層W、W等を経てトランジスタM71のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、容量C70の導電層281は、導電層配線層W、W等を経て容量C71の一方の電極と電気的に接続される。 In FIG. 21, one of the source and the drain of the transistor M70 is electrically connected to the conductive layer 281 of the capacitor C70 through the wiring layers W 6 , W 7 and the like. One of the drain and the source of the transistor M70 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor M71 through the wiring layers W 2 and W 3 and the like. The conductive layer 281 of the capacitor C70 is, via the conductive layer wiring layer W 6, W 7 and the like is one electrode electrically connected to capacitor C71.

またトランジスタM70は例えば、FET層260が有するトランジスタM72やトランジスタM73と電気的に接続してもよい。図21に示す例では、トランジスタM70のソースまたはドレインの他方は、トランジスタM72のソースまたはドレインの一方と、トランジスタM73のソースまたはドレインの一方に電気的に接続される。   The transistor M70 may be electrically connected to, for example, the transistor M72 or the transistor M73 included in the FET layer 260. In the example illustrated in FIG. 21, the other of the source and the drain of the transistor M70 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor M72 and the one of the source and the drain of the transistor M73.

ここで、図20に示す例のように、容量C70は、配線層Wと配線層Wの間に設けてもよい。 Here, as in the example shown in FIG. 20, capacitor C70 may be provided between the wiring layer W 3 and the wiring layer W 4.

また、図20に示すように、トランジスタM71乃至M73は基板270の凸部に設けられてもよい。トランジスタM71において、図20に示す断面と垂直な断面の一例を図22に示す。チャネル形成領域272における凸部の側部及び上部と、導電膜277とがゲート絶縁膜276を間に挟んで重なることで、チャネル形成領域272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M71等の基板上における専有面積を小さく抑えつつ、トランジスタM71等におけるキャリアの移動量を増加させることができる。その結果、トランジスタM71等のオン電流が高められるのと共に、電界効果移動度が高められる。図20に示す一例においては、トランジスタM71乃至M73は、トレンチ分離法(STI法:Shallow Trench Isolation)等を用いて素子分離される。   In addition, as illustrated in FIG. 20, the transistors M <b> 71 to M <b> 73 may be provided on the convex portion of the substrate 270. FIG. 22 shows an example of a cross section of the transistor M71 perpendicular to the cross section shown in FIG. Carriers flow in a wide range including the side and the upper portion of the channel formation region 272 by overlapping the conductive film 277 with the side and upper portions of the protrusions in the channel formation region 272 sandwiching the gate insulating film 276 therebetween. . Therefore, it is possible to increase the amount of carrier movement in the transistor M71 and the like while keeping the exclusive area on the substrate of the transistor M71 and the like small. As a result, the on-current of the transistor M71 and the like is increased, and the field effect mobility is increased. In the example shown in FIG. 20, the transistors M71 to M73 are isolated using a trench isolation method (STI method: Shallow Trench Isolation) or the like.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したOSトランジスタについて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the OS transistor described in the above embodiment is described.

<OSトランジスタの特性>
OSトランジスタは、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体を真性または実質的に真性にすることでオフ電流を低くすることができる。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体中のキャリア密度が、1×1017/cm未満であること、好ましくは1×1015/cm未満であること、さらに好ましくは1×1013/cm未満であることを指す。酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。
<Characteristics of OS transistor>
An OS transistor can reduce off-state current by reducing an impurity concentration in an oxide semiconductor and making the oxide semiconductor intrinsic or substantially intrinsic. Here, substantially intrinsic means that the carrier density in the oxide semiconductor is less than 1 × 10 17 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 15 / cm 3 , and more preferably 1 × It indicates less than 10 13 / cm 3 . In an oxide semiconductor, hydrogen, nitrogen, carbon, silicon, and metal elements other than main components are impurities. For example, hydrogen and nitrogen contribute to the formation of donor levels and increase the carrier density.

真性または実質的に真性にした酸化物半導体を用いたトランジスタは、キャリア密度が低いため、閾値電圧がマイナスとなる電気特性になることが少ない。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体のキャリアトラップが少ないため、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を非常に低くすることが可能となる。   A transistor including an intrinsic or substantially intrinsic oxide semiconductor has low carrier density, and thus has less electrical characteristics with a negative threshold voltage. In addition, a transistor including the oxide semiconductor has few carrier traps in the oxide semiconductor, and thus has a small change in electrical characteristics and has high reliability. In addition, a transistor including the oxide semiconductor can have extremely low off-state current.

なおオフ電流を低くしたOSトランジスタでは、室温(25℃程度)にてチャネル幅1μmあたりの規格化されたオフ電流が1×10−18A以下、好ましくは1×10−21A以下、更に好ましくは1×10−24A以下、又は85℃にて1×10−15A以下、好ましくは1×10−18A以下、更に好ましくは1×10−21A以下とすることができる。 Note that in an OS transistor with a low off-state current, the normalized off-current per channel width of 1 μm at room temperature (about 25 ° C.) is 1 × 10 −18 A or less, preferably 1 × 10 −21 A or less, more preferably May be 1 × 10 −24 A or less, or 1 × 10 −15 A or less at 85 ° C., preferably 1 × 10 −18 A or less, and more preferably 1 × 10 −21 A or less.

<オフ電流>
本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態(非導通状態、遮断状態、ともいう)にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、nチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低い状態、pチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも高い状態をいう。例えば、nチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Vgsがしきい値電圧Vthよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
<Off current>
In this specification, unless otherwise specified, off-state current refers to drain current when a transistor is off (also referred to as a non-conduction state or a cutoff state). The off state is a state where the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel transistor, and the voltage Vgs between the gate and the source in the p-channel transistor unless otherwise specified. Is higher than the threshold voltage Vth. For example, the off-state current of an n-channel transistor sometimes refers to a drain current when the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth.

トランジスタのオフ電流は、Vgsに依存する場合がある。したがって、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsが存在するときに、トランジスタのオフ電流がI以下である、と言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、Vgsが所定の値であるときのオフ電流、Vgsが所定の範囲内の値であるときのオフ電流、または、Vgsが十分に低減されたオフ電流が得られる値であるときのオフ電流を指す場合がある。   The off-state current of the transistor may depend on Vgs. Therefore, when there is Vgs at which the off-state current of the transistor is I or less, the off-state current of the transistor is sometimes I or less. The off-state current of the transistor is a value at which an off-state current when Vgs is a predetermined value, an off-current when Vgs is a value within a predetermined range, or an off-current with sufficiently reduced Vgs is obtained. Sometimes refers to off-state current.

一例として、しきい値電圧Vthが0.5Vであり、Vgsが0.5Vであるときのドレイン電流が1×10−9Aであり、Vgsが0.1Vにおけるドレイン電流が1×10−13Aであり、Vgsがー0.5Vにおけるドレイン電流が1×10−19Aであり、Vgsがー0.8Vにおけるドレイン電流が1×10−22Aであるようなnチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Vgsが−0.5Vにおいて、または、Vgsが−0.5V乃至−0.8Vの範囲において、1×10−19A以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は1×10−19A以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が1×10−22A以下となるVgsが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は1×10−22A以下である、と言う場合がある。 As an example, the drain current when the threshold voltage Vth is 0.5 V and Vgs is 0.5 V is 1 × 10 −9 A, and the drain current when Vgs is 0.1 V is 1 × 10 −13. Assume an n-channel transistor in which the drain current is 1 × 10 −19 A when Vgs is −0.5 V and the drain current is 1 × 10 −22 A when Vgs is −0.8 V. . Since the drain current of the transistor is 1 × 10 −19 A or less when Vgs is −0.5 V or Vgs is in the range of −0.5 V to −0.8 V, the off-state current of the transistor is 1 It may be said that it is below x10 <-19> A. Since there is Vgs at which the drain current of the transistor is 1 × 10 −22 A or less, the off-state current of the transistor may be 1 × 10 −22 A or less.

本明細書では、チャネル幅Wを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Wあたりの値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅(例えば1μm)あたりの電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流/長さ(例えば、A/μm)で表される場合がある。   In this specification, the off-state current of a transistor having a channel width W may be expressed by a value per channel width W. Further, it may be expressed by a current value per predetermined channel width (for example, 1 μm). In the latter case, the unit of off-current may be expressed as current / length (for example, A / μm).

トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、60℃、85℃、95℃、または125℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)におけるオフ電流、を表す場合がある。室温、60℃、85℃、95℃、125℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度(例えば、5℃乃至35℃のいずれか一の温度)、におけるトランジスタのオフ電流がI以下となるVgsが存在するときに、トランジスタのオフ電流がI以下である、と言う場合がある。   The off-state current of a transistor may depend on temperature. In this specification, off-state current may represent off-state current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C. unless otherwise specified. Alternatively, at a temperature at which reliability of the semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or a temperature at which the semiconductor device or the like including the transistor is used (for example, any one temperature of 5 ° C. to 35 ° C.). May represent off-state current. Room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., 125 ° C., a temperature at which the reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or a temperature at which the semiconductor device including the transistor is used (for example, 5 When the Vgs at which the off-state current of the transistor is equal to or lower than I is present at any one temperature of from 35 ° C. to 35 ° C., the off-state current of the transistor is sometimes equal to or lower than I.

トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Vdsに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Vdsの絶対値が0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V,2.5V,3V、3.3V、10V、12V、16V、または20Vにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVds、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsにおけるオフ電流、を表す場合がある。Vdsが所定の値であるときに、トランジスタのオフ電流がI以下となるVgsが存在する場合、トランジスタのオフ電流がI以下である、と言うことがある。ここで、所定の値とは、例えば、0.1V、0.8V、1V、1.2V、1.8V,2.5V,3V、3.3V、10V、12V、16V、20V、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるVdsの値、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるVdsの値である。   The off-state current of the transistor may depend on the voltage Vds between the drain and the source. In this specification, unless otherwise specified, the off-state current has an absolute value of Vds of 0.1 V, 0.8 V, 1 V, 1.2 V, 1.8 V, 2.5 V, 3 V, 3.3 V, 10 V, It may represent off current at 12V, 16V, or 20V. Alternatively, Vds in which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or an off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor may be represented. When Vds is a predetermined value and there is Vgs where the off-state current of the transistor is I or less, the off-state current of the transistor is sometimes I or less. Here, the predetermined value is, for example, 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V, 20V, This is the value of Vds that ensures the reliability of the included semiconductor device or the like, or the value of Vds used in the semiconductor device or the like that includes the transistor.

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。   In the description of the off-state current, the drain may be read as the source. That is, the off-state current sometimes refers to a current that flows through the source when the transistor is off.

本明細書では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。   In this specification, the term “leakage current” may be used to mean the same as off-state current.

本明細書において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。   In this specification, off-state current may refer to current that flows between a source and a drain when a transistor is off, for example.

<酸化物半導体の組成>
なおOSトランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)又は亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にIn及びZnを含むことが好ましい。また、それらに加えて、酸素を強く結びつけるスタビライザーを有することが好ましい。スタビライザーとしては、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)及びアルミニウム(Al)の少なくともいずれかを有すればよい。
<Composition of oxide semiconductor>
Note that an oxide semiconductor used for the semiconductor layer of the OS transistor preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, it is preferable to contain In and Zn. In addition to these, it is preferable to have a stabilizer that strongly binds oxygen. The stabilizer may include at least one of gallium (Ga), tin (Sn), zirconium (Zr), hafnium (Hf), and aluminum (Al).

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種又は複数種を有してもよい。   Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).

トランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、In−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、In−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物等がある。   Examples of the oxide semiconductor used for the semiconductor layer of the transistor include indium oxide, tin oxide, zinc oxide, In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, and Zn—Mg oxide. Sn-Mg oxide, In-Mg oxide, In-Ga oxide, In-Ga-Zn oxide (also referred to as IGZO), In-Al-Zn oxide, In-Sn- Zn-based oxide, Sn-Ga-Zn-based oxide, Al-Ga-Zn-based oxide, Sn-Al-Zn-based oxide, In-Hf-Zn-based oxide, In-Zr-Zn-based oxide, In-Ti-Zn-based oxide, In-Sc-Zn-based oxide, In-Y-Zn-based oxide, In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn -Based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based , In-Eu-Zn-based oxide, In-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er -Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn-based oxide, In-Sn-Ga-Zn-based oxide, In-Hf-Ga- Zn-based oxide, In-Al-Ga-Zn-based oxide, In-Sn-Al-Zn-based oxide, In-Sn-Hf-Zn-based oxide, In-Hf-Al-Zn-based oxide, etc. is there.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1またはその近傍、In:Ga:Zn=4:2:3またはその近傍、In:Ga:Zn=5:1:6またはその近傍、In:Ga:Zn=3:1:2またはその近傍、In:Ga:Zn=2:1:3またはその近傍の原子数比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。   For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 or its vicinity, In: Ga: Zn = 4: 2: 3 or its vicinity, In: Ga: Zn = 5: 1: 6 or its vicinity, In: Ga : Zn = 3: 1: 2 or the vicinity thereof, In: Ga: Zn = 2: 1: 3 or an In—Ga—Zn-based oxide having an atomic ratio of the vicinity thereof or an oxide in the vicinity thereof is used. Good.

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

なお、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって、酸化物半導体膜から酸素が減少してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜への脱水化処理(脱水素化処理)によって増加した酸素欠損を補填するため酸素を酸化物半導体膜に加える処理を行うことが好ましい。   Note that oxygen may be reduced from the oxide semiconductor film due to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film. Therefore, it is preferable to perform treatment in which oxygen is added to the oxide semiconductor film in order to fill oxygen vacancies increased by dehydration treatment (dehydrogenation treatment) of the oxide semiconductor film.

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

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

なお本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。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” means 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45(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 including 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45(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45(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 when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and the 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45(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45(E)に示す。図45(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45(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45(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. 45E 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. From FIG. 45E, a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. 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. 45E is considered to originate from the (010) plane and the (100) plane of the InGaZnO 4 crystal. Further, the second ring in FIG. 45E is considered to be due to the (110) plane and 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46(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. 46A shows 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46(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. 46A 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46(B)および図46(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46(D)および図46(E)は、それぞれ図46(B)および図46(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46(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. 46B and 46C show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of the CAAC-OS observed from the direction substantially perpendicular to the sample surface. 46D and 46E are images obtained by performing image processing on FIGS. 46B and 46C, respectively. Hereinafter, an image processing method will be described. First, an FFT image is obtained 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46(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. 46D, 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46(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. 46E, 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.

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。   In the case where an oxide semiconductor has impurities or defects, characteristics may fluctuate due to light, heat, or the like. For example, an impurity contained in the oxide semiconductor might serve as a carrier trap or a carrier generation source. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor may serve as carrier traps or may serve as carrier generation sources by capturing hydrogen.

不純物および酸素欠損の少ないCAAC−OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、8×1011個/cm未満、好ましくは1×1011個/cm未満、さらに好ましくは1×1010個/cm未満であり、1×10−9個/cm以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 A CAAC-OS with few impurities and oxygen vacancies is an oxide semiconductor with low carrier density. Specifically, it is less than 8 × 10 11 pieces / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 pieces / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 pieces / cm 3 , and 1 × 10 −9 pieces / cm 3. An oxide semiconductor having a carrier density of 3 or more can be obtained. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. The CAAC-OS has a low impurity concentration and a low density of defect states. That is, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics.

[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47(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47(B)に示す。図47(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 to the formation surface, FIG. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. FIG. 47B 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. 47B, 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47(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。   When an electron beam with a probe diameter of 1 nm is incident on a region with 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47(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(fine 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. 47D shows 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 fine crystal 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48に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図48(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48(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48(A)および図48(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. 48 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 48A is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 48B 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 . 48A and 48B, it can be seen that the a-like OS has a striped bright region extending in the vertical direction 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49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49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49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49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. 49 is an example in which the average size of the crystal parts (from 22 to 30 locations) of each sample was examined. Note that the length of the lattice stripes described above is the size of the crystal part. From FIG. 49, it can be seen that in the a-like OS, the crystal part becomes larger in accordance with the cumulative dose of electrons related to the acquisition of the TEM image or the like. According to FIG. 49, 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 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. 49 indicates 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.

以上説明したようにOSトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。   As described above, the OS transistor can realize extremely excellent off-current characteristics.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器について説明する。電子機器の一例としては、コンピュータ、各種携帯情報端末(携帯電話、携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む)、電子書籍端末、ワイヤレスキーボードなど、無線通信手段を有する機器を挙げることができる。また、冷蔵庫、エアコン、自動車、洗濯機、調理機器(電子レンジ等)においても、上記実施の形態で説明した信号処理装置を有する無線通信手段を設け、コンピュータ、各種携帯情報端末より遠隔操作することも可能である。
(Embodiment 4)
In this embodiment, electronic devices each including the semiconductor device described in the above embodiment are described. Examples of electronic devices include devices having wireless communication means such as computers, various portable information terminals (including mobile phones, portable game machines, sound playback devices, and the like), electronic book terminals, and wireless keyboards. In addition, a refrigerator, an air conditioner, an automobile, a washing machine, and a cooking device (such as a microwave oven) are provided with wireless communication means having the signal processing device described in the above embodiment, and are remotely operated from a computer or various portable information terminals. Is also possible.

図23(A)は、携帯型の情報端末であり、筐体701、筐体702、第1の表示部703a、第2の表示部703bなどによって構成されている。筐体701と筐体702の少なくとも一部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消費電力の携帯型の情報端末が実現される。   FIG. 23A illustrates a portable information terminal including a housing 701, a housing 702, a first display portion 703a, a second display portion 703b, and the like. At least part of the housing 701 and the housing 702 is provided with the semiconductor device described in the above embodiment. Therefore, a portable information terminal with low power consumption is realized.

なお、第1の表示部703aはタッチ入力機能を有するパネルとなっており、例えば図23(A)の左図のように、第1の表示部703aに表示される選択ボタン704により「タッチ入力」を行うか、「キーボード入力」を行うかを選択できる。選択ボタンは様々な大きさで表示できるため、幅広い世代の人が使いやすさを実感できる。ここで、例えば「キーボード入力」を選択した場合、図23(A)の右図のように第1の表示部703aにはキーボード705が表示される。これにより、従来の情報端末と同様に、キー入力による素早い文字入力などが可能となる。   Note that the first display portion 703a is a panel having a touch input function. For example, as illustrated in the left diagram of FIG. 23A, a selection button 704 displayed on the first display portion 703a displays “touch input”. "Or" keyboard input "can be selected. Since the selection buttons can be displayed in various sizes, a wide range of people can feel ease of use. For example, when “keyboard input” is selected, the keyboard 705 is displayed on the first display portion 703a as shown in the right diagram of FIG. As a result, as in the conventional information terminal, quick character input by key input and the like are possible.

また、図23(A)に示す携帯型の情報端末は、図23(A)の右図のように、第1の表示部703a及び第2の表示部703bのうち、一方を取り外すことができる。第1の表示部703bもタッチ入力機能を有するパネルとし、持ち運びの際、さらなる軽量化を図ることができ、一方の手で筐体702を持ち、他方の手で操作することができるため便利である。   In the portable information terminal illustrated in FIG. 23A, one of the first display portion 703a and the second display portion 703b can be removed as illustrated on the right side of FIG. . The first display portion 703b is also a panel having a touch input function, and can be further reduced in weight when carried, and can be operated with the other hand while holding the housing 702 with one hand. is there.

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

また、図23(A)に示す携帯型の情報端末は無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。更に、図23(A)に示す筐体702にアンテナやマイク機能や無線機能を持たせ、携帯電話として用いてもよい。なお、筐体701と筐体702が分離された状態においては、相互に無線通信を介して情報をやり取りできる構成でもある。   Alternatively, the portable information terminal illustrated in FIG. 23A can be configured to purchase desired book data and the like from an electronic book server and download them wirelessly. Further, the housing 702 illustrated in FIG. 23A may have an antenna, a microphone function, or a wireless function, and may be used as a mobile phone. Note that in a state where the housing 701 and the housing 702 are separated from each other, information can be exchanged via wireless communication.

図23(B)は、電子ペーパーを実装した電子書籍端末であり、筐体711と筐体712の2つの筐体で構成されている。筐体711及び筐体712には、それぞれ表示部713及び表示部714が設けられている。例えば、表示部714は電子ペーパーにより構成され、表示部713は液晶表示装置や有機発光型表示装置のように応答が速く動画を表示するのに好ましい表示装置で構成されてもよい。   FIG. 23B illustrates an electronic book terminal mounted with electronic paper, which includes two housings, a housing 711 and a housing 712. A display portion 713 and a display portion 714 are provided in the housing 711 and the housing 712, respectively. For example, the display unit 714 may be configured by electronic paper, and the display unit 713 may be configured by a display device that has a quick response and displays a moving image, such as a liquid crystal display device or an organic light emitting display device.

筐体711と筐体712は、軸部715により接続されており、該軸部715を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体711は、電源スイッチ716、操作キー717、スピーカー718などを備えている。筐体711、筐体712の少なくとも一には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消費電力の電子書籍端末が実現される。   The housing 711 and the housing 712 are connected by a shaft portion 715, and can be opened and closed with the shaft portion 715 as an axis. The housing 711 includes a power switch 716, operation keys 717, speakers 718, and the like. At least one of the housing 711 and the housing 712 is provided with the semiconductor device described in the above embodiment. Therefore, an electronic book terminal with low power consumption is realized.

また、筐体711と筐体712のそれぞれに二次電池を設けることで、例えば、図23(B)の右図のように、それぞれの筐体を分離して駆動できるようにしてもよい。例えば、筐体712には、携帯電話回線に接続できる通信機器と、近距離無線通信規格(例えば、無線LANやブルートゥース)に適合した機器を設け、筐体711には近距離の無線通信機器を設ける構成としてもよい。この場合、筐体712が携帯電話回線から受信したデータは、近距離無線通信規格で、筐体711に転送される。筐体711から入力されたデータは、近距離無線通信規格で、筐体712に送信され、筐体712から携帯電話回線に送信される。すなわち、筐体712は無線モデムとして機能する。   In addition, by providing a secondary battery in each of the housing 711 and the housing 712, for example, as illustrated in the right diagram of FIG. For example, a communication device that can be connected to a mobile phone line and a device that conforms to a short-range wireless communication standard (for example, wireless LAN or Bluetooth) are provided in the housing 712, and a short-range wireless communication device is provided in the housing 711. It is good also as a structure to provide. In this case, data received by the housing 712 from the mobile phone line is transferred to the housing 711 according to the short-range wireless communication standard. Data input from the housing 711 is transmitted to the housing 712 according to the short-range wireless communication standard, and is transmitted from the housing 712 to the mobile phone line. That is, the housing 712 functions as a wireless modem.

なお、筐体711および筐体712の距離が離れて、意図せずに通信が途絶する(あるいは途絶することが予想される)場合には、双方が警報音を発する、あるいは表示部713にメッセージを表示する構成とすると、これらを紛失するリスクが減る。   When the distance between the housing 711 and the housing 712 is long and communication is unintentionally interrupted (or is expected to be interrupted), both emit an alarm sound or a message is displayed on the display unit 713. If it is configured to display, the risk of losing these is reduced.

このような使用方法においては、例えば、筐体712は通常、かばんに入れておき、一方、筐体711を手に持つか、取り出しやすい位置(例えば、衣類のポケット等)に置くことで、簡単な操作は、筐体711で実行できる。例えば、データの一部あるいは全部を筐体712に保存し、必要に応じて、近距離無線通信規格で、筐体712に送信させ、筐体712で閲覧あるいは視聴することもできる。   In such a method of use, for example, the housing 712 is usually put in a bag, and on the other hand, the housing 711 is held in a hand or placed in a position where it can be easily taken out (for example, a pocket of clothes). Various operations can be executed with the housing 711. For example, part or all of the data can be stored in the housing 712 and transmitted to the housing 712 according to the short-range wireless communication standard as needed, so that the data can be viewed or viewed on the housing 712.

図23(C)は、スマートフォンであり、筐体721には、表示部722と、スピーカー723と、マイク724と、操作ボタン725等が設けられている。筐体721内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、スマートフォンが実現される。   FIG. 23C illustrates a smartphone. A housing 721 is provided with a display portion 722, a speaker 723, a microphone 724, an operation button 725, and the like. In the housing 721, the semiconductor device described in any of the above embodiments is provided. Therefore, a smartphone is realized.

図23(D)は、腕輪型表示装置であり、筐体731、表示部732などによって構成されている。筐体731内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、低消費電力の腕輪型表示装置が実現される。   FIG. 23D illustrates a bracelet display device, which includes a housing 731, a display portion 732, and the like. In the housing 731, the semiconductor device described in any of the above embodiments is provided. Therefore, a bracelet type display device with low power consumption is realized.

(実施の形態5) (Embodiment 5)

本実施の形態では、上記実施の形態で説明したADコンバータとして機能する半導体装置を適用しうる例として、無線センサを一例としてあげて説明する。なお無線センサは、RF(Radio Frequency)センサ等と呼ばれている。   In this embodiment, as an example to which the semiconductor device functioning as the AD converter described in the above embodiment can be applied, a wireless sensor will be described as an example. The wireless sensor is called an RF (Radio Frequency) sensor or the like.

なお無線センサは、無線通信装置からの無線信号を受信し、センサ回路で得たデータを無線通信装置へ送信する機能を有する。なお無線通信装置は、無線信号を送受信できる装置あればよく、一例としては、質問器、スマートメーター、携帯電話、パーソナルコンピュータ、あるいはデータを収集する無線端末等を挙げることができる。   Note that the wireless sensor has a function of receiving a wireless signal from the wireless communication device and transmitting data obtained by the sensor circuit to the wireless communication device. Note that the wireless communication device only needs to be a device that can transmit and receive wireless signals. Examples of the wireless communication device include an interrogator, a smart meter, a mobile phone, a personal computer, or a wireless terminal that collects data.

無線センサは、受信した無線信号を電力として駆動するパッシブ型の無線センサであることが好ましい。パッシブ型の無線センサは、二次電池を搭載しないため、小型化が可能であり、設置の自由度を高めることができる。なお受信した無線信号を基に電力を生成して充電可能な二次電池を内蔵していてもよい。本発明の一態様の半導体装置は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを用いることにより、極めて低い電力で駆動することができる。動作に要する電力が低いことにより、二次電池を搭載せずとも無線センサを駆動することができる。よって、本発明の一態様の無線センサをパッシブ型の無線センサとすることができる。   The wireless sensor is preferably a passive wireless sensor that drives a received wireless signal as power. Since the passive wireless sensor does not include a secondary battery, the passive wireless sensor can be downsized and the degree of freedom of installation can be increased. In addition, you may incorporate the secondary battery which produces | generates electric power based on the received radio signal and can be charged. The semiconductor device of one embodiment of the present invention can be driven with extremely low power by using a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region. Since the power required for operation is low, the wireless sensor can be driven without mounting a secondary battery. Therefore, the wireless sensor of one embodiment of the present invention can be a passive wireless sensor.

また無線信号の周波数帯は、法令等に基づいて適宜選択すればよく、例えば135kHz帯の長波帯、13.56MHz帯の短波帯、900MHz帯のUHF帯、2.45GHz帯のマイクロ波帯等を用いることができる。無線信号の周波数帯に応じて、無線センサが有するアンテナの構造を選択すればよい。   The frequency band of the radio signal may be appropriately selected based on laws and regulations, such as a 135 kHz long wave band, a 13.56 MHz short wave band, a 900 MHz UHF band, a 2.45 GHz microwave band, and the like. Can be used. The antenna structure of the wireless sensor may be selected in accordance with the frequency band of the wireless signal.

<無線センサのブロック図>
図24は、無線センサ400のブロック図である。無線センサは、アンテナ401と、集積回路部402(IC部、又は回路部ともいう)と、に大別される。
<Block diagram of wireless sensor>
FIG. 24 is a block diagram of the wireless sensor 400. Wireless sensors are roughly classified into an antenna 401 and an integrated circuit portion 402 (also referred to as an IC portion or a circuit portion).

アンテナ401は、無線信号を電気信号に、または電気信号を無線信号にして、外部の質問器等の端末と信号の送受信を行う機能を有する。アンテナは、信号を搬送する無線信号の周波数帯に応じて複数設けられていてもよい。なお無線信号は、変調された搬送波である。変調方式には、例えばアナログ変調またはデジタル変調であり、振幅変調、位相変調、周波数変調及びスペクトラム拡散のいずれかを用いればよい。   The antenna 401 has a function of transmitting / receiving a signal to / from a terminal such as an external interrogator using a wireless signal as an electrical signal or an electrical signal as a wireless signal. A plurality of antennas may be provided according to the frequency band of the radio signal carrying the signal. The radio signal is a modulated carrier wave. The modulation method is, for example, analog modulation or digital modulation, and any one of amplitude modulation, phase modulation, frequency modulation, and spread spectrum may be used.

集積回路部402は、無線信号を受信することで生成された電圧、及び電気信号を基に動作する回路を有する。また集積回路部402は、回路が動作することで得られた電気信号を、アンテナ401を介して送信する回路を有する。   The integrated circuit portion 402 includes a circuit that operates based on a voltage generated by receiving a wireless signal and an electrical signal. The integrated circuit portion 402 includes a circuit that transmits an electric signal obtained by operating the circuit through the antenna 401.

集積回路部402は、一例として、整流回路403、復調回路404、変調回路405、定電圧回路406、制御回路407、発振回路408、メモリ回路409、インターフェース410、ADコンバータ411、及びセンサ回路412を有する。   The integrated circuit unit 402 includes, as an example, a rectifier circuit 403, a demodulation circuit 404, a modulation circuit 405, a constant voltage circuit 406, a control circuit 407, an oscillation circuit 408, a memory circuit 409, an interface 410, an AD converter 411, and a sensor circuit 412. Have.

整流回路403は、アンテナ401からの電気信号を整流及び平滑化する機能を有する回路である。整流及び平滑化された無線信号は、一定の電位を有する電圧VINとなる。電圧VINは、定電圧回路406に出力される。   The rectifier circuit 403 is a circuit having a function of rectifying and smoothing an electric signal from the antenna 401. The rectified and smoothed wireless signal becomes a voltage VIN having a constant potential. The voltage VIN is output to the constant voltage circuit 406.

なお整流回路403は、保護回路(リミッター回路)を有していてもよい。保護回路は、アンテナ401からの電気信号が大電圧の場合に集積回路部402の各回路が破壊されることを防止する機能を有する。   Note that the rectifier circuit 403 may include a protection circuit (limiter circuit). The protection circuit has a function of preventing each circuit of the integrated circuit portion 402 from being destroyed when an electric signal from the antenna 401 is a high voltage.

復調回路404は、アンテナ401からの電気信号を復調する機能を有する回路である。復調された信号は、制御回路407に出力される。   The demodulation circuit 404 is a circuit having a function of demodulating an electric signal from the antenna 401. The demodulated signal is output to the control circuit 407.

変調回路405は、制御回路407で生成された電気信号を、変調する機能を有する回路である。変調された電気信号は、搬送波によって、アンテナ401を介して無線信号として送信される。   The modulation circuit 405 is a circuit having a function of modulating the electric signal generated by the control circuit 407. The modulated electrical signal is transmitted as a radio signal via the antenna 401 by a carrier wave.

定電圧回路406は、電圧VINを基に電圧を生成する機能を有する回路である。定電圧回路406で生成される電圧VDDは、集積回路部402が有する各回路に与えられる。なお、定電圧回路406が生成する電圧は、一つに限らず複数であってもよい。   The constant voltage circuit 406 is a circuit having a function of generating a voltage based on the voltage VIN. The voltage VDD generated by the constant voltage circuit 406 is supplied to each circuit included in the integrated circuit portion 402. Note that the voltage generated by the constant voltage circuit 406 is not limited to one and may be plural.

制御回路407は、集積回路部402が有する各回路へ入力する信号、集積回路部402が有する各回路から出力される信号、集積回路部402が有する各回路を動作するための信号等を生成して、制御する機能を有する回路である。   The control circuit 407 generates a signal input to each circuit included in the integrated circuit unit 402, a signal output from each circuit included in the integrated circuit unit 402, a signal for operating each circuit included in the integrated circuit unit 402, and the like. Thus, the circuit has a control function.

発振回路408は、基準となるクロック信号を生成する機能を有する回路である。一例として、クロック信号は、制御回路407、メモリ回路409、ADコンバータ411に与えられる。   The oscillation circuit 408 is a circuit having a function of generating a reference clock signal. As an example, the clock signal is supplied to the control circuit 407, the memory circuit 409, and the AD converter 411.

メモリ回路409は、センサ回路412で取得し、ADコンバータ411でアナログデータからデジタルデータに変換されたデータを保持する機能を有する回路である。無線センサ400への電源の供給は、無線信号を受信したタイミングで行われるため、間欠的となる。この場合、メモリ回路409への電源の供給も間欠的に行われる。そのためメモリ回路409は、電源の供給が間欠的に行われてもデータの保持が可能な、不揮発性の記憶素子を有することが好適である。不揮発性の記憶素子としては、例えば、フラッシュメモリの他、強誘電体メモリ(FeRAM)、磁気抵抗メモリ(MRAM)、相変化メモリ(PRAM)、抵抗変化型メモリ(ReRAM)等を用いることができる。あるいはOSトランジスタにおいてオフ電流が極めて低いことを利用した、電荷の保持によりデータの保持を行う回路を記憶素子としてもよい。OSトランジスタを用いて記憶素子を形成することで、シリコン層を有するトランジスタと積層して設けることができる。   The memory circuit 409 is a circuit having a function of holding data acquired by the sensor circuit 412 and converted from analog data to digital data by the AD converter 411. Since the supply of power to the wireless sensor 400 is performed at the timing when a wireless signal is received, it is intermittent. In this case, power supply to the memory circuit 409 is also intermittently performed. Therefore, the memory circuit 409 preferably includes a nonvolatile memory element that can retain data even when power is supplied intermittently. As the nonvolatile memory element, for example, a ferroelectric memory (FeRAM), a magnetoresistive memory (MRAM), a phase change memory (PRAM), a resistance change memory (ReRAM), etc. can be used in addition to a flash memory. . Alternatively, a circuit that holds data by holding electric charge using an off-state current of the OS transistor that is extremely low may be used as the memory element. By forming a memory element using an OS transistor, the memory element can be stacked with a transistor including a silicon layer.

なおメモリ回路409は、無線センサ400の固有番号(ID)を保持していても良い。無線センサ400に固有番号を持たせることで、複数の無線センサとの通信が可能となる。例えば、データが欲しい固有番号に合致した無線センサのデータのみを読み出すことが可能となる。さらに、メモリ回路409は、外部の質問器等から受信した無線信号が有する情報の書き込み、読み出し、及び保持ができる構成としても良い。この場合、無線センサ400の使用環境に応じた条件などを書き込むことができるので、用途を広げることができる。   Note that the memory circuit 409 may hold a unique number (ID) of the wireless sensor 400. By giving the wireless sensor 400 a unique number, it is possible to communicate with a plurality of wireless sensors. For example, it is possible to read out only the wireless sensor data that matches the unique number for which data is desired. Further, the memory circuit 409 may be configured to write, read, and hold information included in a wireless signal received from an external interrogator or the like. In this case, conditions and the like according to the use environment of the wireless sensor 400 can be written, so that the application can be expanded.

ADコンバータ411は、上記実施の形態で説明した半導体装置を用いる。ADコンバータ411を有する無線センサ400は、上記実施の形態で説明した半導体装置をADコンバータ411に適用することで消費電力を低減し、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下せず、あるいはアナログデータを保持するための、専用の高電圧生成回路や周辺回路が必要とすることのない、無線センサとすることができる。また、ADコンバータの動作は、上記実施の形態で説明したように、各回路への電源の供給あるいは停止を制御することができる。そのため、無線信号を受信する期間にわたって、ADコンバータに電源を供給し続ける必要がない。したがって、無線センサ400でADコンバータが消費する電力の割合を抑制し、無線センサ400から外部に信号を送信するのに消費する電力の割合を増やすことができ、通信距離を延伸する等の無線センサ400の利便性を向上させることができる。   As the AD converter 411, the semiconductor device described in the above embodiment is used. The wireless sensor 400 including the AD converter 411 reduces power consumption by applying the semiconductor device described in the above embodiment to the AD converter 411 and does not deteriorate the performance of the AD converter such as resolution and sampling rate. A wireless sensor that does not require a dedicated high voltage generation circuit or peripheral circuit for holding analog data can be provided. The operation of the AD converter can control the supply or stop of power to each circuit as described in the above embodiment. Therefore, it is not necessary to continue supplying power to the AD converter over a period of receiving the radio signal. Therefore, the wireless sensor 400 can suppress the proportion of power consumed by the AD converter, increase the proportion of power consumed to transmit a signal from the wireless sensor 400 to the outside, and extend the communication distance. The convenience of 400 can be improved.

なお上記実施の形態では、半導体装置を構成する回路として、タイミングコントローラ又は発振回路等を具備する構成について示したが、ADコンバータ411の外部に設けられる構成としてもよい。例えば、ADコンバータ411が有する発振回路は、集積回路部402が有する発振回路408を代わりに用いて駆動させることができる。   Note that although a structure including a timing controller, an oscillation circuit, or the like is described as a circuit included in the semiconductor device in the above embodiment, a structure provided outside the AD converter 411 may be employed. For example, the oscillation circuit included in the AD converter 411 can be driven using the oscillation circuit 408 included in the integrated circuit portion 402 instead.

なおADコンバータ411は、外部との信号の入出力を行うための入出力インターフェース、制御回路等を備えていてもよい。   Note that the AD converter 411 may include an input / output interface and a control circuit for inputting / outputting signals to / from the outside.

センサ回路412は、熱的、あるいは電磁気学的等の諸情報をアナログデータとして出力する機能を有する回路である。センサ回路は、さまざまなセンサを有する。例えば、温度センサ、光センサ、ガスセンサ、炎センサ、煙センサ、湿度センサ、圧力センサ、流量センサ、振動センサ、タッチセンサ、音声センサ、磁気センサ、放射線センサ、匂いセンサ、花粉センサ、加速度センサ、傾斜角センサ、ジャイロセンサ、方位センサ、電力センサなどを用いることができる。   The sensor circuit 412 is a circuit having a function of outputting various information such as thermal or electromagnetic information as analog data. The sensor circuit has various sensors. For example, temperature sensor, light sensor, gas sensor, flame sensor, smoke sensor, humidity sensor, pressure sensor, flow sensor, vibration sensor, touch sensor, voice sensor, magnetic sensor, radiation sensor, odor sensor, pollen sensor, acceleration sensor, tilt An angle sensor, a gyro sensor, an orientation sensor, a power sensor, or the like can be used.

なおセンサ回路412は、図25に示すように、集積回路部402の外部に設ける構成としてもよい。センサ回路412を集積回路部402から分離して形成することができる。そのため、センサ回路412の設計の自由度を高め、センサ回路で取得するデータの選択肢を広げることができる。   Note that the sensor circuit 412 may be provided outside the integrated circuit portion 402 as illustrated in FIG. The sensor circuit 412 can be formed separately from the integrated circuit portion 402. Therefore, the degree of freedom in designing the sensor circuit 412 can be increased, and the choices of data acquired by the sensor circuit can be expanded.

<メモリ回路の構成例>
ここで、上述したメモリ回路409の構成例について、具体例を複数挙げて説明する。なおメモリ回路409は、OSトランジスタを用いて記憶素子(OSメモリともいう)を形成する回路構成である。
<Configuration example of memory circuit>
Here, a configuration example of the memory circuit 409 described above will be described with a plurality of specific examples. Note that the memory circuit 409 has a circuit configuration in which a memory element (also referred to as an OS memory) is formed using an OS transistor.

図26は、メモリ回路409の構成の一例を示すブロック図である。メモリ回路409は、コントロール・ユニット360、ロー・デコーダー回路361、ロー・ドライバ回路362、カラム・ドライバ回路363、およびメモリセルアレイ370を有する。   FIG. 26 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the memory circuit 409. The memory circuit 409 includes a control unit 360, a row decoder circuit 361, a row driver circuit 362, a column driver circuit 363, and a memory cell array 370.

コントロール・ユニット360は、メモリ回路409の制御回路であり、ロジック部230のアクセス要求に従い、ロー・デコーダー回路361、ロー・ドライバ回路362、及びカラム・ドライバ回路363を制御する制御信号を生成する機能を有する。ロー・デコーダー回路361、ロー・ドライバ回路362、及びカラム・ドライバ回路363は、コントロール・ユニット360の制御信号に従い、メモリセルアレイ370を駆動する駆動信号を生成する機能を有する。   The control unit 360 is a control circuit of the memory circuit 409 and has a function of generating control signals for controlling the row decoder circuit 361, the row driver circuit 362, and the column driver circuit 363 in accordance with the access request of the logic unit 230. Have The row decoder circuit 361, the row driver circuit 362, and the column driver circuit 363 have a function of generating a drive signal for driving the memory cell array 370 in accordance with a control signal of the control unit 360.

なおメモリセルアレイ370に多値のデータを記憶する場合、図27に示すようにADコンバータ364を設けたメモリ回路409_Aとする構成としてもよい。ADコンバータ364は、フラッシュ型、デルタシグマ型、パイプライン型、積分型、逐次比較型の方式を用いればよい。逐次比較型の場合、上記実施の形態で説明した半導体装置を用いることが好適である。ADコンバータ411を有する無線センサ400は、上記実施の形態で説明した半導体装置をADコンバータ411に適用することで消費電力を低減し、分解能とサンプリングレートといった、ADコンバータの性能を低下せず、あるいはアナログデータを保持するための、専用の高電圧生成回路や周辺回路が必要とすることのない、無線センサとすることができる。   Note that in the case where multivalued data is stored in the memory cell array 370, a memory circuit 409_A including an AD converter 364 may be used as illustrated in FIG. As the AD converter 364, a flash type, a delta sigma type, a pipeline type, an integration type, or a successive approximation type may be used. In the case of the successive approximation type, it is preferable to use the semiconductor device described in the above embodiment mode. The wireless sensor 400 including the AD converter 411 reduces power consumption by applying the semiconductor device described in the above embodiment to the AD converter 411 and does not deteriorate the performance of the AD converter such as resolution and sampling rate. A wireless sensor that does not require a dedicated high voltage generation circuit or peripheral circuit for holding analog data can be provided.

メモリセルアレイ370は、複数のメモリセルがアレイ状に配列された回路である。図28は、メモリセルアレイ370の構成の一例を示す回路図である。図28には、[2j−1,2k−1]−[2j,2k](j、kは1以上の整数)の4つのメモリセル380を代表的に示す。   The memory cell array 370 is a circuit in which a plurality of memory cells are arranged in an array. FIG. 28 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the memory cell array 370. FIG. 28 representatively shows four memory cells 380 of [2j-1, 2k-1]-[2j, 2k] (j and k are integers of 1 or more).

メモリセル380は、トランジスタM70−M72、および容量C70を有する。ここでは、トランジスタM70は、OSトランジスタとし、nチャネル型トランジスタである。また、トランジスタM71、M72は、Siトランジスタであり、pチャネル型トランジスタである。ノードFNがデータを電荷として保持するメモリセルアレイ370のデータ格納部であり、この例では、トランジスタM72のゲートに対応する。   Memory cell 380 includes transistors M70 to M72 and a capacitor C70. Here, the transistor M70 is an OS transistor and is an n-channel transistor. Transistors M71 and M72 are Si transistors and are p-channel transistors. The node FN is a data storage portion of the memory cell array 370 that holds data as electric charges, and corresponds to the gate of the transistor M72 in this example.

なおM71、M72は、nチャネル型トランジスタでもよい。この場合のメモリセルアレイの回路図の一例を図29に示す。またM71、M72がnチャネル型トランジスタのとき、容量C70に接続する配線CWLを無くし、配線SLに接続することもできる。この場合の回路図を図32に示す。図32に示すメモリ回路373は、配線CWLを省略できるため、回路面積の縮小を図ることができる。   Note that M71 and M72 may be n-channel transistors. An example of a circuit diagram of the memory cell array in this case is shown in FIG. When M71 and M72 are n-channel transistors, the wiring CWL connected to the capacitor C70 can be eliminated and the wiring C can be connected. A circuit diagram in this case is shown in FIG. In the memory circuit 373 illustrated in FIG. 32, the wiring CWL can be omitted; thus, the circuit area can be reduced.

メモリセルアレイ370は、メモリセル380の配列に対応して配線(WWL、RWL、CWL、SL、WBL、RBL)が設けられている。メモリセル380は、対応する列および行のこれら配線に接続されている。また、配線BGLがメモリセルアレイ370の共通の配線として設けられている。配線BGLには、メモリセル380のトランジスタM70のバックゲートが接続されている。   The memory cell array 370 is provided with wirings (WWL, RWL, CWL, SL, WBL, RBL) corresponding to the arrangement of the memory cells 380. Memory cell 380 is connected to these wirings in the corresponding column and row. A wiring BGL is provided as a common wiring for the memory cell array 370. The back gate of the transistor M70 of the memory cell 380 is connected to the wiring BGL.

配線WWLは書き込み用ワード線として機能し、配線RWLは読み出し用ワード線として機能し、それぞれ、ロー・ドライバ回路362に接続されている。配線CWLは、容量C70に印加する電圧を供給する配線として機能する。   The wiring WWL functions as a writing word line, and the wiring RWL functions as a reading word line, and each is connected to the row driver circuit 362. The wiring CWL functions as a wiring that supplies a voltage applied to the capacitor C70.

配線SLはソース線として機能し、2列ごとに設けられている。配線WBLは書き込み用ビット線として機能し、メモリセル380に書き込むメモリデータがカラム・ドライバ回路363から供給される配線である。配線RBLは読み出し用のビット線として機能し、メモリセル380から読み出したメモリデータが出力される配線である。配線SL、配線WBLおよび配線RBLは、カラム・ドライバ回路363に接続されている。   The wiring SL functions as a source line and is provided every two columns. The wiring WBL functions as a write bit line, and is a wiring through which memory data to be written to the memory cell 380 is supplied from the column driver circuit 363. The wiring RBL functions as a read bit line, and is a wiring through which memory data read from the memory cell 380 is output. The wiring SL, the wiring WBL, and the wiring RBL are connected to the column driver circuit 363.

配線RBLの出力にはクロックドインバータCINVが接続されている。クロックドインバータCINVを設けているのは、配線RBLから読み出された信号の電圧レベルが、書き込んだデータの電圧レベルに対して、ハイレベルとロウレベルの関係が逆になるからである。図28の例では、書き込んだデータの電圧がロウレベルであれば、RBLの電圧はハイレベルとなり、書き込んだデータの電圧がハイレベルであれば、RBLの電圧はロウレベルとなる。配線OE、配線OEBは、クロックドインバータCINVの出力信号を制御する信号を供給する配線である。クロックドインバータCINVの出力信号(メモリデータ)は配線DOから出力される。   A clocked inverter CINV is connected to the output of the wiring RBL. The clocked inverter CINV is provided because the voltage level of the signal read from the wiring RBL is opposite to the high level and the low level with respect to the voltage level of the written data. In the example of FIG. 28, if the voltage of written data is low level, the voltage of RBL becomes high level, and if the voltage of written data is high level, the voltage of RBL becomes low level. The wiring OE and the wiring OEB are wirings for supplying a signal for controlling the output signal of the clocked inverter CINV. An output signal (memory data) of the clocked inverter CINV is output from the wiring DO.

容量C70は、ノードFNの電荷保持用の容量として機能する。容量C70の一方の端子はノードFNに接続され、他方の端子は配線CWLに接続されている。配線CWLはロー・ドライバ回路362に接続されている。なお、メモリセル380の配線間容量によりノードFNの電荷を保持できる場合は、容量C70と配線CWLは設けなくてもよい。   The capacitor C70 functions as a charge holding capacitor of the node FN. One terminal of the capacitor C70 is connected to the node FN, and the other terminal is connected to the wiring CWL. The wiring CWL is connected to the row driver circuit 362. Note that in the case where the charge of the node FN can be held by the inter-wire capacitance of the memory cell 380, the capacitor C70 and the wiring CWL are not necessarily provided.

トランジスタM70をオンにすることで、データ値(”0”、”1”)に対応する電圧がノードFNに印加される。そして、トランジスタM70をオフ状態にすることで、ノードFNが電気的に浮遊状態となり、メモリセル380はデータ保持状態となる。トランジスタM70はOSトランジスタであるので、トランジスタM70のオフ状態でのソースードレイン間を流れるリーク電流が極めて小さい。このため、メモリセル380は、リフレッシュ動作をせず、年単位の期間(例えば10年間程度)データを保持することが可能であり、メモリセル380を不揮発性メモリセルとして用いることができる。また、バックゲートにVBGを印加することでトランジスタM70のVthをプラスシフトさせているために、データ保持状態でトランジスタM70のゲートにVthよりも小さい電圧をより確実に印加することができるため、データ保持エラーが抑えられたメモリセル380を得ることができる。   By turning on the transistor M70, a voltage corresponding to the data value (“0”, “1”) is applied to the node FN. Then, when the transistor M70 is turned off, the node FN is electrically floated and the memory cell 380 is in a data holding state. Since the transistor M70 is an OS transistor, the leakage current flowing between the source and the drain in the off state of the transistor M70 is extremely small. Therefore, the memory cell 380 can hold data without performing a refresh operation for a period of year (for example, about 10 years), and the memory cell 380 can be used as a nonvolatile memory cell. In addition, since VBG of the transistor M70 is positively shifted by applying VBG to the back gate, a voltage smaller than Vth can be more reliably applied to the gate of the transistor M70 in the data holding state. A memory cell 380 in which a holding error is suppressed can be obtained.

したがって、無線センサ400で電波を受信していない状態でも、メモリ回路409でデータを保持することが可能である。以下、図30を参照して、メモリセルアレイ370(メモリ回路409)の動作についてより詳細に説明する。   Therefore, the memory circuit 409 can hold data even when the wireless sensor 400 is not receiving radio waves. Hereinafter, the operation of the memory cell array 370 (memory circuit 409) will be described in more detail with reference to FIG.

なお、OSトランジスタにおいて、オフ電流が極めて低いということを利用するメモリ回路の場合には、情報を保持する期間において、トランジスタには、所定の電圧が供給され続けている場合がある。例えば、トランジスタのゲートには、トランジスタが完全にオフ状態となるような電圧が供給され続けている場合がある。または、トランジスタのバックゲートには、トランジスタのしきい値電圧がシフトして、トランジスタがノーマリオフ状態になるような電圧が供給され続けている場合がある。そのような場合には、情報を保持する期間において、メモリ回路に電圧が供給されていることになるが、電流がほとんど流れないため、電力をほとんど消費しない。したがって、電力をほとんど消費しないことから、仮に、所定の電圧がメモリ回路に供給されているとしても、実質的には、メモリ回路は不揮発性であると表現することができる。   Note that in the case of a memory circuit using an OS transistor in which off-state current is extremely low, a predetermined voltage may be continuously supplied to the transistor in a period in which information is held. For example, there is a case where a voltage that turns off the transistor completely is continuously supplied to the gate of the transistor. Alternatively, there is a case where a voltage at which the threshold voltage of the transistor shifts and the transistor is in a normally-off state is continuously supplied to the back gate of the transistor. In such a case, a voltage is supplied to the memory circuit during a period in which information is held, but little current flows, so that little power is consumed. Therefore, since power is hardly consumed, even if a predetermined voltage is supplied to the memory circuit, the memory circuit can be substantially expressed as non-volatile.

図30は、メモリセルアレイ370(メモリ回路409)の動作の一例を示すタイミングチャートである。図30には、具体的には、メモリセルアレイ370に入力される信号波形を示しており、メモリセルアレイ370に含まれる配線およびノードのハイレベル(”H”)とロウレベル(”L”)の電圧も示している。この例では、配線CWL、配線SLおよび配線BGLには一定電圧が印加される。   FIG. 30 is a timing chart showing an example of the operation of the memory cell array 370 (memory circuit 409). Specifically, FIG. 30 shows signal waveforms input to the memory cell array 370, and the high level (“H”) and low level (“L”) voltages of wirings and nodes included in the memory cell array 370. It also shows. In this example, a constant voltage is applied to the wiring CWL, the wiring SL, and the wiring BGL.

期間Tp1では、メモリ回路409はスタンバイ状態である。スタンバイ状態とは、無線センサ400においてVINが生成されている状態であり、メモリ回路409ではデータ保持状態である。配線WWL、配線WBLおよび配線RBLはロウレベルであり、配線RWLはハイレベルである。メモリセル380に”1”が書き込まれている場合、FNの電圧は”H”であり、”0”が書き込まれている場合、ノードFNの電圧は”L”である。   In the period Tp1, the memory circuit 409 is in a standby state. The standby state is a state where VIN is generated in the wireless sensor 400, and the memory circuit 409 is a data holding state. The wiring WWL, the wiring WBL, and the wiring RBL are at a low level, and the wiring RWL is at a high level. When “1” is written in the memory cell 380, the voltage of the FN is “H”, and when “0” is written, the voltage of the node FN is “L”.

期間Tp2は、書き込み動作期間である。データを書き込む行の配線WWLが”H”となるので、トランジスタM70がオンとなり、ノードFNが期間Tp2は、書き込み動作期間である。データを書き込む行の配線WWLが”H”となるので、トランジスタM70がオンとなり、ノードFNが配線WBLに接続される。”1”を書き込む場合、配線WBLは”H”となるので、ノードFNも”H”となる。他方、”0”を書き込む場合、配線WBLは”L”であるので、ノードFNも”L”となる。配線WWLを”L”にして、トランジスタM70をオフ状態にすることで、データ書き込み動作が終了し、メモリセル380はスタンバイ状態になる。   The period Tp2 is a writing operation period. Since the wiring WWL of the row in which data is written is “H”, the transistor M70 is turned on, and the period FN2 of the node FN is a writing operation period. Since the wiring WWL of the row in which data is written becomes “H”, the transistor M70 is turned on and the node FN is connected to the wiring WBL. When “1” is written, the wiring WBL becomes “H”, so that the node FN also becomes “H”. On the other hand, when “0” is written, since the wiring WBL is “L”, the node FN is also “L”. When the wiring WWL is set to “L” and the transistor M70 is turned off, the data writing operation is completed, and the memory cell 380 enters a standby state.

期間Tp3(スタンバイ期間)では、トランジスタM70がオンからオフになることで、ノードFNの電圧がトランジスタM70のしきい値電圧分低下する。上述したように、負電圧VBGをバックゲートに印加することにより、トランジスタM70のVthをプラスシフトさせているため、そのリーク電流は極めて小さくなり、ノードFNにおいて、年単位の期間(例えば、10年程度)、”1”として認識される電圧を保持することが可能である。   In the period Tp3 (standby period), the transistor M70 is turned off from on, so that the voltage of the node FN decreases by the threshold voltage of the transistor M70. As described above, by applying the negative voltage VBG to the back gate, the Vth of the transistor M70 is positively shifted. Therefore, the leakage current becomes extremely small, and the node FN has a yearly period (for example, 10 years). Degree), it is possible to hold a voltage recognized as “1”.

期間Tp4は、読み出し動作期間である。データを読み出す行の配線RWLが”L”となり、その行のトランジスタM71がオンになる。他の行の配線RWLは”H”のままである。メモリセル380で”1”を記憶している場合、トランジスタM72はオフ状態であるため、配線RBLは”L”のままである。”0”を記憶している場合、トランジスタM72もオン状態となるため、トランジスタM71、M72により、配線RBLが配線SLに接続されるので、その電圧レベルは”H”となる。配線RBLに読み出された信号は、インバータCINVによりその電圧レベルが反転され、配線DOに出力される。   The period Tp4 is a read operation period. The wiring RWL of the row from which data is read becomes “L”, and the transistor M71 of that row is turned on. The wiring RWL in the other row remains “H”. When “1” is stored in the memory cell 380, the transistor M72 is in an off state, and thus the wiring RBL remains “L”. When “0” is stored, the transistor M72 is also turned on, so that the wiring RBL is connected to the wiring SL by the transistors M71 and M72, so that the voltage level becomes “H”. The signal read out to the wiring RBL is inverted in voltage level by the inverter CINV and output to the wiring DO.

期間Tp5では、メモリ回路409はスタンバイ状態であり、ノードFNや配線の電圧のレベルは期間Tp1と同様である。   In the period Tp5, the memory circuit 409 is in a standby state, and the voltage levels of the node FN and the wiring are similar to those in the period Tp1.

また図31に、メモリセルアレイの他の構成例を示す。図31に示すメモリセルアレイ372は、メモリセルアレイ370の変形例である。メモリセルアレイ372では、配線WBLと配線RBLが共通化され1つの配線BLで構成されている点がメモリセルアレイ370と異なる。つまり、図28の例ではビット線を書き込み用と読み出し用で2本設けており、図31の例では1本のビット線にしている。   FIG. 31 shows another configuration example of the memory cell array. A memory cell array 372 illustrated in FIG. 31 is a modification of the memory cell array 370. The memory cell array 372 is different from the memory cell array 370 in that the wiring WBL and the wiring RBL are shared and configured by one wiring BL. That is, in the example of FIG. 28, two bit lines are provided for writing and reading, and in the example of FIG. 31, only one bit line is provided.

図32は、メモリセルアレイ372の動作例を示すタイミングチャートである。図32に示すように、メモリセルアレイ372も、メモリセルアレイ370と同様に駆動させることができる。配線BLが配線WBLおよび配線RBL双方の機能を果たす。書き込み動作期間(T2)では、メモリセル380に”1”を書き込む場合、配線BLは”H”となり、”0”を書き込む場合、配線BLは”L”となる。また、読み出し動作期間(T4)では、メモリセル380で”1”を記憶している場合、トランジスタM72はオフ状態であるため、配線BLは”L”のままである。”0”を記憶している場合、トランジスタM72もオン状態となるため、トランジスタM71、M72により、配線BLが配線SLに接続されるので、その電圧レベルは”H”となる。配線BLに読み出された信号は、クロックドインバータCINVによりその論理値が反転され、配線DOに出力される。   FIG. 32 is a timing chart showing an operation example of the memory cell array 372. As shown in FIG. 32, the memory cell array 372 can also be driven in the same manner as the memory cell array 370. The wiring BL functions as both the wiring WBL and the wiring RBL. In the write operation period (T2), when “1” is written to the memory cell 380, the wiring BL is “H”, and when “0” is written, the wiring BL is “L”. Further, in the reading operation period (T4), when “1” is stored in the memory cell 380, the transistor M72 is in an off state; thus, the wiring BL remains “L”. When “0” is stored, the transistor M72 is also turned on, so that the wiring BL is connected to the wiring SL by the transistors M71 and M72, so that the voltage level becomes “H”. The signal read out to the wiring BL is inverted in logic value by the clocked inverter CINV and output to the wiring DO.

<無線センサの応用例>
次に、半導体装置を適用した無線センサの応用例について、図33、図34を用いて説明する。
<Application examples of wireless sensors>
Next, application examples of a wireless sensor to which a semiconductor device is applied will be described with reference to FIGS.

図33(A)には無線センサの模式図を示す。図33(A)に示す無線センサ800は、アンテナ801、集積回路部802およびセンサ回路805を有する。   FIG. 33A is a schematic diagram of a wireless sensor. A wireless sensor 800 illustrated in FIG. 33A includes an antenna 801, an integrated circuit portion 802, and a sensor circuit 805.

アンテナ801は、電波法に定められた範囲内で目的に合った大きさ、形状であればよい。例えばダイポールアンテナ、パッチアンテナ、ループアンテナ、八木アンテナなどを用いることができる。   The antenna 801 may have any size and shape that meets the purpose within the range defined by the Radio Law. For example, a dipole antenna, a patch antenna, a loop antenna, a Yagi antenna, or the like can be used.

集積回路部802は、Siトランジスタ及びOSトランジスタで構成される回路803、アンテナとの接続をするための端子部804を有する。回路803は、Siトランジスタ及びOSトランジスタを形成する前工程を経て形成される。端子部804は、ダイシング工程やボンディング工程を経てチップ化する後工程を経て形成される。集積回路部802は、半導体パッケージ、又はIC用パッケージともいう。なおセンサ回路805は、集積回路部802に内蔵あるいは外付けして設けられる。   The integrated circuit portion 802 includes a circuit 803 including a Si transistor and an OS transistor, and a terminal portion 804 for connecting to an antenna. The circuit 803 is formed through a pre-process for forming a Si transistor and an OS transistor. The terminal portion 804 is formed through a post process for forming a chip through a dicing process and a bonding process. The integrated circuit portion 802 is also referred to as a semiconductor package or an IC package. Note that the sensor circuit 805 is provided in the integrated circuit portion 802 or provided externally.

センサ回路805は、熱的、あるいは電磁気学的等の諸情報をアナログデータとして出力する機能を有する回路である。センサ回路805の大きさによって、無線センサ800の外部に設ける場合もありえる。   The sensor circuit 805 has a function of outputting various information such as thermal or electromagnetic information as analog data. Depending on the size of the sensor circuit 805, the sensor circuit 805 may be provided outside the wireless sensor 800.

図33(B)には、図33(A)の無線センサ800が無線信号811を受信する模式図を示す。無線センサ800は、外部から発信される無線信号811に応答して、電力を生成する。電力を受けて動作可能となったセンサ回路805及びADコンバータを有する無線センサ800内の集積回路部802は、必要に応じて各回路に電源の供給及び停止をするよう動作する。ADコンバータの動作は、上記実施の形態で説明したように、各回路への電源の供給あるいは停止を制御することができる。そのため、無線信号811を受信する期間にわたって、ADコンバータに電源を供給し続ける必要がない。したがって、無線センサ800でADコンバータが消費する電力の割合を抑制し、無線センサ800から外部に無線信号を送信するのに消費する電力の割合を増やすことができ、通信距離を延伸する等の無線センサ800の利便性を向上させることができる。   FIG. 33B is a schematic diagram in which the wireless sensor 800 in FIG. 33A receives a wireless signal 811. The wireless sensor 800 generates power in response to a wireless signal 811 transmitted from the outside. The sensor circuit 805 that can operate by receiving power and the integrated circuit portion 802 in the wireless sensor 800 including the AD converter operate to supply and stop power to each circuit as necessary. As described in the above embodiment, the operation of the AD converter can control supply or stop of power to each circuit. Therefore, it is not necessary to continue supplying power to the AD converter over a period in which the wireless signal 811 is received. Therefore, the ratio of power consumed by the AD converter in the wireless sensor 800 can be suppressed, the ratio of power consumed to transmit a wireless signal from the wireless sensor 800 to the outside can be increased, and wireless communication such as extending the communication distance can be achieved. The convenience of the sensor 800 can be improved.

このような無線センサの応用形態としては、図33(C)に示す模式図で説明することができる。例えば、無線センサ800を物品821に貼付、あるいは内部に設置し、外部の質問器822から無線信号811を送信する。無線信号811を受信した無線センサ800は、センサによって物品821に触れることなく、温度等の情報を取得し、質問器822に送信することができる。上述したようにADコンバータにおいてセンサで得たアナログ電位をデジタル信号に変換するための消費電力を抑制できるため、通信距離を延伸して利便性を向上させた使用を可能にすることができる。   An application mode of such a wireless sensor can be described with reference to a schematic diagram shown in FIG. For example, the wireless sensor 800 is attached to the article 821 or installed inside, and the wireless signal 811 is transmitted from the external interrogator 822. The wireless sensor 800 that has received the wireless signal 811 can acquire information such as temperature and transmit it to the interrogator 822 without touching the article 821 by the sensor. As described above, since power consumption for converting an analog potential obtained by a sensor into a digital signal in an AD converter can be suppressed, it is possible to extend use of the communication distance and improve convenience.

また別の無線センサの応用形態としては、図34(A)に示す模式図で説明することができる。例えば、トンネル壁面に無線センサ800を埋め込み、外部から無線信号811を送信する。無線信号811を受信した無線センサ800は、センサによってトンネル壁面の情報を取得し、送信することができる。上述したようにADコンバータにおいてセンサで得たアナログ電位をデジタル信号に変換するための消費電力を抑制できるため、通信距離を延伸して利便性を向上させた使用を可能にすることができる。したがって、トンネル壁面内の情報を直接接触することなく取得することができる。   Another application form of the wireless sensor can be described with reference to a schematic diagram shown in FIG. For example, the wireless sensor 800 is embedded in the tunnel wall surface, and the wireless signal 811 is transmitted from the outside. The wireless sensor 800 that has received the wireless signal 811 can acquire and transmit information on the tunnel wall surface by the sensor. As described above, since power consumption for converting an analog potential obtained by a sensor into a digital signal in an AD converter can be suppressed, it is possible to extend use of the communication distance and improve convenience. Therefore, information in the tunnel wall surface can be obtained without direct contact.

また別の無線センサの応用形態としては、図34(B)に示す模式図で説明することができる。例えば、橋梁の支柱の壁面に無線センサ800を埋め込み、外部から無線信号811を送信する。無線信号811を受信した無線センサ800は、センサによって橋梁の支柱内の情報を取得し、送信することができる。上述したようにADコンバータにおいてセンサで得たアナログ電位をデジタル信号に変換するための消費電力を抑制できるため、通信距離を延伸して利便性を向上させた使用を可能にすることができる。したがって、橋梁の支柱内の情報を直接接触することなく取得することができる。   Another application form of the wireless sensor can be described with reference to a schematic diagram shown in FIG. For example, the wireless sensor 800 is embedded in the wall surface of a bridge column, and a wireless signal 811 is transmitted from the outside. The wireless sensor 800 that has received the wireless signal 811 can acquire and transmit information in the bridge column by the sensor. As described above, since power consumption for converting an analog potential obtained by a sensor into a digital signal in an AD converter can be suppressed, it is possible to extend use of the communication distance and improve convenience. Therefore, information in the bridge column can be acquired without direct contact.

また別の無線センサの応用形態としては、図35に示す模式図で説明することができる。例えば、接着パッド等を用いて人体に無線センサ800を取り付け、質問器822から無線信号811を送信する。無線信号811を受信した無線センサ800は、配線832を介して人体に取り付けられた電極831等に信号を与えて生体情報等の情報を取得し、送信することができる。取得した情報は、質問器822の表示部833で確認することができる。上述したようにADコンバータにおいてセンサで得たアナログ電位をデジタル信号に変換するための消費電力を抑制できるため、通信距離を延伸して利便性を向上させた使用を可能にすることができる。したがって、人体の生体情報を直接接触することなく取得することができる。   Another application form of the wireless sensor can be described with reference to a schematic diagram shown in FIG. For example, the wireless sensor 800 is attached to the human body using an adhesive pad or the like, and the wireless signal 811 is transmitted from the interrogator 822. The wireless sensor 800 that has received the wireless signal 811 can acquire information such as biological information by transmitting a signal to the electrode 831 or the like attached to the human body via the wiring 832 and transmit the signal. The acquired information can be confirmed on the display unit 833 of the interrogator 822. As described above, since power consumption for converting an analog potential obtained by a sensor into a digital signal in an AD converter can be suppressed, it is possible to extend use of the communication distance and improve convenience. Therefore, it is possible to acquire the biological information of the human body without directly contacting it.

(実施の形態6)
本実施の形態では、上述の実施の形態で示したOSトランジスタの構成例について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, structural examples of the OS transistors described in the above embodiments are described.

〈トランジスタの構成例1〉
図37(A)乃至図37(D)は、トランジスタ600の上面図および断面図である。図37(A)は上面図であり、図37(A)に示す一点鎖線Y1−Y2方向の断面が図37(B)に相当し、図37(A)に示す一点鎖線X1−X2方向の断面が図37(C)に相当し、図37(A)に示す一点鎖線X3−X4方向の断面が図37(D)に相当する。なお、図37(A)乃至図37(D)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Y1−Y2方向をチャネル長方向、一点鎖線X1−X2方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
<Structure Example 1 of Transistor>
37A to 37D are a top view and a cross-sectional view of the transistor 600. FIG. 37A is a top view, and a cross section in the direction of dashed-dotted line Y1-Y2 in FIG. 37A corresponds to FIG. 37B, and is in the direction of dashed-dotted line X1-X2 in FIG. A cross section corresponds to FIG. 37C, and a cross section in the direction of dashed-dotted line X3-X4 in FIG. 37A corresponds to FIG. Note that in FIGS. 37A to 37D, some elements are enlarged, reduced, or omitted for clarity of illustration. The direction of the alternate long and short dash line Y1-Y2 may be referred to as a channel length direction, and the direction of the alternate long and short dash line X1-X2 may be referred to as a channel width direction.

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 means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, 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). 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, that a source and a drain face each other in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed. 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 a channel region formed on a semiconductor side surface of a 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 referred to as an “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.

トランジスタ600は、基板640と、基板640上の絶縁膜651と、絶縁膜651上に形成された導電膜674と、絶縁膜651及び導電膜674上に形成された絶縁膜656と、絶縁膜656上に形成された絶縁膜652と、絶縁膜652上に、第1の半導体661、第2の半導体662の順で形成された積層と、半導体662の上面と接する導電膜671および導電膜672と、半導体663、半導体662、導電膜671および導電膜672と接する第3の半導体663と、半導体663上の絶縁膜653および導電膜673と、導電膜673および絶縁膜653上の絶縁膜654と、絶縁膜654上の絶縁膜655を有する。なお、第1の半導体661、第2の半導体662および第3の半導体663をまとめて、半導体660と呼称する。   The transistor 600 includes a substrate 640, an insulating film 651 over the substrate 640, a conductive film 674 formed over the insulating film 651, an insulating film 656 formed over the insulating film 651 and the conductive film 674, and an insulating film 656. An insulating film 652 formed over the insulating film 652, a stack of the first semiconductor 661 and the second semiconductor 662 formed in that order, a conductive film 671 and a conductive film 672 in contact with the top surface of the semiconductor 662; , A semiconductor 663, a semiconductor 662, a conductive film 671, a third semiconductor 663 in contact with the conductive film 672, an insulating film 653 and a conductive film 673 over the semiconductor 663, an insulating film 654 over the conductive film 673 and the insulating film 653, An insulating film 655 is provided over the insulating film 654. Note that the first semiconductor 661, the second semiconductor 662, and the third semiconductor 663 are collectively referred to as a semiconductor 660.

導電膜671は、トランジスタ600のソース電極としての機能を有する。導電膜672は、トランジスタ600のドレイン電極としての機能を有する。   The conductive film 671 functions as a source electrode of the transistor 600. The conductive film 672 functions as a drain electrode of the transistor 600.

導電膜673は、トランジスタ600の第1のゲート電極としての機能を有する。   The conductive film 673 functions as the first gate electrode of the transistor 600.

絶縁膜653は、トランジスタ600の第1のゲート絶縁膜としての機能を有する。   The insulating film 653 functions as a first gate insulating film of the transistor 600.

導電膜674は、トランジスタ600の第2のゲート電極としての機能を有する。   The conductive film 674 functions as the second gate electrode of the transistor 600.

絶縁膜656及び絶縁膜652は、トランジスタ600の第2のゲート絶縁膜としての機能を有する。   The insulating film 656 and the insulating film 652 function as a second gate insulating film of the transistor 600.

導電膜673と導電膜674は同じ電位が与えられてもよいし、異なる電位が与えられてもよい。また導電膜674は、場合によっては省略することもできる。   The conductive film 673 and the conductive film 674 may be supplied with the same potential or different potentials. Further, the conductive film 674 can be omitted depending on circumstances.

図37(C)に示すように、半導体662の側面は、導電膜673に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜673の電界によって、半導体662を電気的に取り囲むことができる(導電膜(ゲート電極)の電界によって、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。)。そのため、半導体662の全体(バルク)にチャネルが形成される場合がある。s−channel構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を高くすることができる。また、s−channel構造は、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。   As shown in FIG. 37C, a side surface of the semiconductor 662 is surrounded by a conductive film 673. With the above structure, the semiconductor 662 can be electrically surrounded by the electric field of the conductive film 673 (the structure of the transistor that electrically surrounds the semiconductor by the electric field of the conductive film (gate electrode) is increased to the surrounded channel (s). -Channel) structure). Therefore, a channel may be formed in the entire semiconductor 662 (bulk). In the s-channel structure, a large current can flow between the source and the drain of the transistor, and a current during conduction (on-current) can be increased. Further, the s-channel structure can provide a transistor that can operate at high frequency.

s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、LSI(Large Scale Integration)など微細化されたトランジスタが要求される半導体装置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1nm以上500nm以下、より好ましくは3nm以上200nm以下、さらに好ましくは5nm以上100nm以下、さらに好ましくは10nm以上60nm未満、さらに好ましくは10nm以上30nm未満の領域を有する。例えば、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは10nm以上10μm未満、より好ましくは10nm以上1μm未満、さらに好ましくは10nm以上500nm未満、さらに好ましくは10nm以上200nm未満、さらに好ましくは10nm以上100nm未満の領域を有する。   The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a semiconductor device that requires a miniaturized transistor such as an LSI (Large Scale Integration) because a high on-state current can be obtained. 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 in which a channel length is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 500 nm, more preferably greater than or equal to 3 nm and less than or equal to 200 nm, further preferably greater than or equal to 5 nm and less than or equal to 100 nm, more preferably greater than or equal to 10 nm and less than 60 nm, and even more preferably greater than or equal to 10 nm and less than 30 nm. . For example, the transistor has a region where the channel width is preferably greater than or equal to 10 nm and less than 10 μm, more preferably greater than or equal to 10 nm and less than 1 μm, further preferably greater than or equal to 10 nm and less than 500 nm, further preferably greater than or equal to 10 nm and less than 200 nm, and even more preferably greater than or equal to 10 nm and less than 100 nm. .

s−channel構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。   The s-channel structure can be said to be a structure suitable for a transistor that requires high-frequency operation because a high on-state current can be obtained. The semiconductor device including the transistor can be a semiconductor device that can operate at high frequency.

絶縁膜651は、基板640と導電膜674を電気的に分離させる機能を有する。   The insulating film 651 has a function of electrically separating the substrate 640 and the conductive film 674.

絶縁膜652は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜652から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体660に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。   The insulating film 652 preferably contains an oxide. In particular, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably included. It is preferable to use an oxide containing oxygen in excess of that in the stoichiometric composition. Part of oxygen is released by heating from the oxide film containing oxygen in excess of the stoichiometric composition. Oxygen released from the insulating film 652 is supplied to the semiconductor 660 which is an oxide semiconductor, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor can be reduced. As a result, variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed and reliability can be improved.

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析にて、膜の表面温度が100℃以上700℃以下、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018atoms/cm以上、好ましくは3.0×1020atoms/cm以上である酸化物膜である。なお、上記TDS分析時における基板温度としては100℃以上700℃以下、または100℃以上500℃以下の範囲が好ましい。 An oxide film containing more oxygen than that in the stoichiometric composition is converted into oxygen atoms at a surface temperature of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less by, for example, TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has an oxygen desorption amount of 1.0 × 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The substrate temperature during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.

絶縁膜656は、絶縁膜652に含まれる酸素が、導電膜674に含まれる金属と結びつき、絶縁膜652に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。   The insulating film 656 has a function of preventing oxygen contained in the insulating film 652 from being combined with a metal contained in the conductive film 674 and reducing oxygen contained in the insulating film 652.

絶縁膜654は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜654を設けることで、半導体660からの酸素の外部への拡散と、外部から半導体660への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。   The insulating film 654 has a function of blocking oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. By providing the insulating film 654, diffusion of oxygen from the semiconductor 660 to the outside and entry of hydrogen, water, and the like into the semiconductor 660 from the outside can be prevented.

次に、半導体661、半導体662、半導体663などに適用可能な半導体について説明する。   Next, semiconductors applicable to the semiconductor 661, the semiconductor 662, the semiconductor 663, and the like are described.

トランジスタ600は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流(オフ電流)が低いことが好適である。ここでは、オフ電流が低いとは、室温において、ソースとドレインとの間の電圧を10Vとし、チャネル幅1μmあたりの規格化されたオフ電流が10×10−21A以下であることをいう。このようにオフ電流が低いトランジスタとしては、半導体に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。 The transistor 600 preferably has a low current (off-state current) flowing between the source and the drain in the non-conduction state. Here, the low off-state current means that at room temperature, the voltage between the source and the drain is 10 V, and the standardized off-current per channel width of 1 μm is 10 × 10 −21 A or less. As such a transistor with low off-state current, a transistor including an oxide semiconductor as a semiconductor can be given.

半導体662は、例えば、インジウム(In)を含む酸化物半導体である。半導体662は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体662は、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)またはスズ(Sn)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(B)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)などがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体662は、亜鉛(Zn)を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。   The semiconductor 662 is an oxide semiconductor containing indium (In), for example. For example, when the semiconductor 662 contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The semiconductor 662 preferably contains the element M. The element M is preferably aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y), tin (Sn), or the like. Other elements applicable to the element M include boron (B), silicon (Si), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni), germanium (Ge), zirconium (Zr), molybdenum (Mo ), Lanthanum (La), cerium (Ce), neodymium (Nd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), and the like. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements. The element M is an element having a high binding energy with oxygen, for example. For example, it is an element whose binding energy with oxygen is higher than that of indium. Alternatively, the element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide semiconductor, for example. The semiconductor 662 preferably contains zinc (Zn). An oxide semiconductor may be easily crystallized when it contains zinc.

ただし、半導体662は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体662は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。   Note that the semiconductor 662 is not limited to the oxide semiconductor containing indium. The semiconductor 662 may be, for example, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing zinc, an oxide semiconductor containing tin, or the like that does not contain indium, such as zinc tin oxide and gallium tin oxide.

半導体662は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体662のエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。   For the semiconductor 662, for example, an oxide with a wide energy gap is used. The energy gap of the semiconductor 662 is, for example, not less than 2.5 eV and not more than 4.2 eV, preferably not less than 2.8 eV and not more than 3.8 eV, more preferably not less than 3 eV and not more than 3.5 eV.

半導体662は、後述するCAAC−OS膜であることが好ましい。   The semiconductor 662 is preferably a CAAC-OS film described later.

例えば、半導体661および半導体663は、半導体662を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体662を構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から半導体661および半導体663が構成されるため、半導体661と半導体662との界面、および半導体662と半導体663との界面において、界面準位が形成されにくい。   For example, the semiconductor 661 and the semiconductor 663 are oxide semiconductors including one or more elements other than oxygen included in the semiconductor 662 or two or more elements. Since the semiconductor 661 and the semiconductor 663 are composed of one or more elements other than oxygen constituting the semiconductor 662 or two or more elements, an interface state at the interface between the semiconductor 661 and the semiconductor 662 and the interface between the semiconductor 662 and the semiconductor 663 is used. The position is difficult to form.

なお、半導体661がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高いとする。半導体661をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:3:2が好ましい。   Note that when the semiconductor 661 is an In-M-Zn oxide and the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, and more preferably In is less than 25 atomic%. , M is higher than 75 atomic%. In the case where the semiconductor 661 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 3: 2 is preferable.

また、半導体662がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%より高く、Mが66atomic%未満とする。半導体662をスパッタリング法で成膜する場合、上記の組成を満たすスパッタリングターゲットを用いることが好ましい。例えば、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=2:1:3、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:4.1が好ましい。特に、スパッタリングターゲットとして、原子数比がIn:Ga:Zn=4:2:4.1を用いる場合、成膜される半導体662の原子数比は、In:Ga:Zn=4:2:3近傍となる場合がある。   In the case where the semiconductor 662 is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably higher than 25 atomic%, M is lower than 75 atomic%, and more preferably In is higher than 34 atomic%. High, and M is less than 66 atomic%. In the case where the semiconductor 662 is formed by a sputtering method, a sputtering target that satisfies the above composition is preferably used. For example, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 2: 1: 3, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 4.1 is preferable. In particular, when an atomic ratio of In: Ga: Zn = 4: 2: 4.1 is used as a sputtering target, the atomic ratio of the semiconductor 662 to be formed is In: Ga: Zn = 4: 2: 3. May be near.

また、半導体663がIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、半導体663は、半導体661と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体661または/および半導体663がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体661または/および半導体663が酸化ガリウムであっても構わない。   In the case where the semiconductor 663 is an In—M—Zn oxide, when the sum of In and M is 100 atomic%, In is preferably less than 50 atomic%, M is higher than 50 atomic%, and more preferably, In is less than 25 atomic%. , M is higher than 75 atomic%. Note that the semiconductor 663 may be formed using the same type of oxide as the semiconductor 661. Note that the semiconductor 661 and / or the semiconductor 663 may not contain indium in some cases. For example, the semiconductor 661 and / or the semiconductor 663 may be gallium oxide.

次に、半導体661、半導体662、および半導体663の積層により構成される半導体660の機能およびその効果について、図38(B)に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図38(A)は、図37(B)に示すトランジスタ600のチャネル部分を拡大した図で、図38(B)は、図38(A)にA1−A2の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図38(B)は、トランジスタ600のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。   Next, functions and effects of the semiconductor 660 formed by stacking the semiconductor 661, the semiconductor 662, and the semiconductor 663 will be described with reference to an energy band structure diagram in FIG. FIG. 38A is an enlarged view of the channel portion of the transistor 600 illustrated in FIG. 37B, and FIG. 38B is an energy band of the portion indicated by the chain line A1-A2 in FIG. The structure is shown. FIG. 38B illustrates an energy band structure of a channel formation region of the transistor 600.

図38(B)中、Ec652、Ec661、Ec662、Ec663、Ec653は、それぞれ、絶縁膜652、半導体661、半導体662、半導体663、絶縁膜653の伝導帯下端のエネルギーを示している。   In FIG. 38B, Ec652, Ec661, Ec662, Ec663, and Ec653 indicate the energy at the lower end of the conduction band of the insulating film 652, the semiconductor 661, the semiconductor 662, the semiconductor 663, and the insulating film 653, respectively.

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差(「電子親和力」ともいう。)は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差(イオン化ポテンシャルともいう。)からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析(UPS:Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)装置を用いて測定できる。   Here, the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band (also referred to as “electron affinity”) is defined as the energy gap based on the difference between the vacuum level and the energy at the top of the valence band (also referred to as ionization potential). Subtracted value. The energy gap can be measured using a spectroscopic ellipsometer. The energy difference between the vacuum level and the upper end of the valence band can be measured using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) apparatus.

絶縁膜652と絶縁膜653は絶縁体であるため、Ec653とEc652は、Ec661、Ec662、およびEc663よりも真空準位に近い(電子親和力が小さい)。   Since the insulating film 652 and the insulating film 653 are insulators, Ec653 and Ec652 are closer to the vacuum level (having a lower electron affinity) than Ec661, Ec662, and Ec663.

半導体662は、半導体661および半導体663よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体662として、半導体661および半導体663よりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。   As the semiconductor 662, an oxide having an electron affinity higher than those of the semiconductor 661 and the semiconductor 663 is used. For example, as the semiconductor 662, an oxide having an electron affinity greater than or equal to 0.07 eV and less than or equal to 1.3 eV, preferably greater than or equal to 0.1 eV and less than or equal to 0.7 eV, more preferably greater than or equal to 0.15 eV and less than or equal to 0.4 eV, compared with the semiconductors 661 and 663 Is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体663がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上とする。   Note that indium gallium oxide has a small electron affinity and a high oxygen blocking property. Therefore, the semiconductor 663 preferably includes indium gallium oxide. The gallium atom ratio [Ga / (In + Ga)] is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体661、半導体662、半導体663のうち、電子親和力の大きい半導体662にチャネルが形成される。   At this time, when a gate voltage is applied, a channel is formed in the semiconductor 662 having high electron affinity among the semiconductors 661, 662, and 663.

ここで、半導体661と半導体662との間には、半導体661と半導体662との混合領域を有する場合がある。また、半導体662と半導体663との間には、半導体662と半導体663との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体661、半導体662および半導体663の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。   Here, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor 661 and the semiconductor 662 between the semiconductor 661 and the semiconductor 662. Further, in some cases, there is a mixed region of the semiconductor 662 and the semiconductor 663 between the semiconductor 662 and the semiconductor 663. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stack of the semiconductor 661, the semiconductor 662, and the semiconductor 663 has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.

このとき、電子は、半導体661中および半導体663中ではなく、半導体662中を主として移動する。上述したように、半導体661および半導体662の界面における界面準位密度、半導体662と半導体663との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体662中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。   At this time, electrons move mainly in the semiconductor 662, not in the semiconductor 661 and the semiconductor 663. As described above, when the interface state density at the interface between the semiconductor 661 and the semiconductor 662 and the interface state density at the interface between the semiconductor 662 and the semiconductor 663 are lowered, movement of electrons in the semiconductor 662 is hindered. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased.

トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。   The on-state current of the transistor can be increased as the factor that hinders the movement of electrons is reduced. For example, when there is no factor that hinders the movement of electrons, it is estimated that electrons move efficiently. Electron movement is inhibited, for example, even when the physical unevenness of the channel formation region is large.

トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体662の上面または下面(被形成面、ここでは半導体661)の、1μm×1μmの範囲における二乗平均平方根(RMS:Root Mean Square)粗さが1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における平均面粗さ(Raともいう。)が1nm未満、好ましくは0.6nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、より好ましくは0.4nm未満とすればよい。また、1μm×1μmの範囲における最大高低差(P−Vともいう。)が10nm未満、好ましくは9nm未満、さらに好ましくは8nm未満、より好ましくは7nm未満とすればよい。RMS粗さ、RaおよびP−Vは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムSPA−500などを用いて測定することができる。   In order to increase the on-state current of the transistor, for example, the root mean square (RMS) roughness of the upper surface or the lower surface of the semiconductor 662 (formation surface, here, the semiconductor 661) in a range of 1 μm × 1 μm is set. The thickness may be less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and more preferably less than 0.4 nm. The average surface roughness (also referred to as Ra) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 1 nm, preferably less than 0.6 nm, more preferably less than 0.5 nm, and more preferably less than 0.4 nm. The maximum height difference (also referred to as PV) in the range of 1 μm × 1 μm is less than 10 nm, preferably less than 9 nm, more preferably less than 8 nm, and more preferably less than 7 nm. The RMS roughness, Ra, and PV can be measured using a scanning probe microscope system SPA-500 manufactured by SII Nano Technology.

または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。   Alternatively, for example, even when the density of defect states in a region where a channel is formed is high, the movement of electrons is inhibited.

例えば、半導体662が酸素欠損(Vとも表記。)を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をVHと表記する場合がある。VHは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体662中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。 For example, in the case where the semiconductor 662 has oxygen vacancies (also referred to as V 2 O ), donor levels may be formed when hydrogen enters oxygen vacancy sites. The following may be referred to a state that has entered the hydrogen to oxygen vacancies in the site as V O H. Since V O H scatters electrons, it causes a reduction in the on-state current of the transistor. Note that oxygen deficient sites are more stable when oxygen enters than when hydrogen enters. Therefore, the on-state current of the transistor can be increased by reducing oxygen vacancies in the semiconductor 662 in some cases.

例えば、半導体662のある深さにおいて、または、半導体662のある領域において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)で測定される水素濃度は、1×1016atoms/cm以上、2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上、1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm以下とする。 For example, the hydrogen concentration measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) at a certain depth of the semiconductor 662 or in a certain region of the semiconductor 662 is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more. 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

半導体662の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜652に含まれる過剰酸素を、半導体661を介して半導体662まで移動させる方法などがある。この場合、半導体661は、酸素透過性を有する層(酸素を通過または透過させる層)であることが好ましい。   In order to reduce oxygen vacancies in the semiconductor 662, for example, there is a method in which excess oxygen contained in the insulating film 652 is moved to the semiconductor 662 through the semiconductor 661. In this case, the semiconductor 661 is preferably a layer having oxygen permeability (a layer through which oxygen passes or permeates).

なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体662の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体662が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体662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。   Note that in the case where the transistor has an s-channel structure, a channel is formed in the entire semiconductor 662. Accordingly, the thicker the semiconductor 662, the larger the channel region. That is, the thicker the semiconductor 662, the higher the on-state current of the transistor.

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体663の厚さは小さいほど好ましい。半導体663は、例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下の領域を有していればよい。一方、半導体663は、チャネルの形成される半導体662へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体663は、ある程度の厚さを有することが好ましい。半導体663は、例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有していればよい。また、半導体663は、絶縁膜652などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。   In order to increase the on-state current of the transistor, the thickness of the semiconductor 663 is preferably as small as possible. The semiconductor 663 may have a region of, for example, less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. On the other hand, the semiconductor 663 has a function of blocking entry of elements other than oxygen (such as hydrogen and silicon) included in the adjacent insulator into the semiconductor 662 where a channel is formed. Therefore, the semiconductor 663 preferably has a certain thickness. The semiconductor 663 may have a region with a thickness of 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, for example. The semiconductor 663 preferably has a property of blocking oxygen in order to suppress outward diffusion of oxygen released from the insulating film 652 and the like.

また、信頼性を高くするためには、半導体661は厚く、半導体663は薄いことが好ましい。半導体661は、例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有していればよい。半導体661の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体661との界面からチャネルの形成される半導体662までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、半導体661は、例えば、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有していればよい。   In order to increase reliability, the semiconductor 661 is preferably thick and the semiconductor 663 is preferably thin. The semiconductor 661 may have a region with a thickness of 10 nm or more, preferably 20 nm or more, more preferably 40 nm or more, and more preferably 60 nm or more. By increasing the thickness of the semiconductor 661, the distance from the interface between the adjacent insulator and the semiconductor 661 to the semiconductor 662 where a channel is formed can be increased. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the semiconductor 661 may have a region with a thickness of 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less, for example.

例えば、半導体662と半導体661との間に、例えば、SIMS分析において、1×1016atoms/cm以上、1×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体662と半導体663との間に、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上、1×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、2×1018atoms/cm未満のシリコン濃度となる領域を有する。 For example, between the semiconductor 662 and the semiconductor 661, for example, in SIMS analysis, 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, The region has a silicon concentration of less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . Further, between SIMS 662 and 663, in SIMS, 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 The region has a silicon concentration of less than 18 atoms / cm 3 , more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 .

また、半導体662の水素濃度を低減するために、半導体661および半導体663の水素濃度を低減すると好ましい。半導体661および半導体663は、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上、2×1020atoms/cm以下、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上、1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体662の窒素濃度を低減するために、半導体661および半導体663の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体661および半導体663は、SIMSにおいて、1×1016atoms/cm以上、5×1019atoms/cm未満、好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1016atoms/cm以上、1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは1×1016atoms/cm以上、5×1017atoms/cm以下の窒素濃度となる領域を有する。 In addition, in order to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 662, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the semiconductor 661 and the semiconductor 663. The semiconductor 661 and the semiconductor 663 have a SIMS of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3. Or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less hydrogen concentration Has a region to be In order to reduce the nitrogen concentration of the semiconductor 662, it is preferable to reduce the nitrogen concentrations of the semiconductor 661 and the semiconductor 663. The semiconductor 661 and the semiconductor 663 have a SIMS of 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more and less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 18 atoms / cm 3 in SIMS. Or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 16 atoms / cm 3 or more, 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less Has a region to be

上述の3層構造は一例である。例えば、半導体661または半導体663のない2層構造としても構わない。または、半導体661の上もしくは下、または半導体663上もしくは下に、半導体661、半導体662および半導体663として例示した半導体のいずれか一を有する4層構造としても構わない。または、半導体661の上、半導体661の下、半導体663の上、半導体663の下のいずれか二箇所以上に、半導体661、半導体662および半導体663として例示した半導体のいずれか一を有するn層構造(nは5以上の整数)としても構わない。   The above three-layer structure is an example. For example, a two-layer structure without the semiconductor 661 or the semiconductor 663 may be used. Alternatively, a four-layer structure including any one of the semiconductors 661, 662, and 663 as the semiconductor 663 may be provided above or below the semiconductor 661 or above or below the semiconductor 663. Alternatively, the n-layer structure includes any one of the semiconductors 661, the semiconductor 662, and the semiconductor exemplified as the semiconductor 663 in any two or more positions over the semiconductor 661, the semiconductor 661, the semiconductor 663, and the semiconductor 663. (N is an integer of 5 or more).

基板640としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。   As the substrate 640, for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used. Examples of the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate. Examples of the semiconductor substrate include a single semiconductor substrate such as silicon or germanium, or a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, or gallium oxide. Furthermore, there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Examples of the conductor substrate include a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate. Alternatively, there are a substrate having a metal nitride, a substrate having a metal oxide, and the like. Further, there are a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided on an insulator substrate, a substrate in which a conductor or an insulator is provided on a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided on a conductor substrate, and the like. Alternatively, a substrate in which an element is provided may be used. Examples of the element provided on the substrate include a capacitor element, a resistor element, a switch element, a light emitting element, and a memory element.

また、基板640として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板640に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板640として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板640が伸縮性を有してもよい。また、基板640は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板640の厚さは、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下とする。基板640を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板640を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板640上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。   Further, a flexible substrate may be used as the substrate 640. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is a method in which after a transistor is formed over a non-flexible substrate, the transistor is peeled off and transferred to a substrate 640 which is a flexible substrate. In that case, a separation layer is preferably provided between the non-flexible substrate and the transistor. Note that a sheet, a film, a foil, or the like in which fibers are knitted may be used as the substrate 640. Further, the substrate 640 may have elasticity. Further, the substrate 640 may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Or you may have a property which does not return to an original shape. The thickness of the substrate 640 is, for example, 5 μm to 700 μm, preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 15 μm to 300 μm. When the substrate 640 is thinned, the semiconductor device can be reduced in weight. Further, by making the substrate 640 thin, it may have elasticity even when glass or the like is used, or may have a property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact applied to the semiconductor device over the substrate 640 due to dropping or the like can be reduced. That is, a durable semiconductor device can be provided.

可とう性基板である基板640としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板640は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板640としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板640として好適である。 As the substrate 640 which is a flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fiber thereof can be used. The substrate 640 which is a flexible substrate is preferable because the deformation due to the environment is suppressed as the linear expansion coefficient is lower. As the substrate 640 which is a flexible substrate, for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 × 10 −3 / K or less, 5 × 10 −5 / K or less, or 1 × 10 −5 / K or less is used. Good. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, acrylic, and polytetrafluoroethylene (PTFE). In particular, since aramid has a low coefficient of linear expansion, it is suitable for the substrate 640 that is a flexible substrate.

絶縁膜651a及び絶縁膜651bに用いる材料として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化物とは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。   As a material used for the insulating film 651a and the insulating film 651b, a material containing silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or silicon nitride oxide is preferably used. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used. Note that in this specification, an oxynitride refers to a material having a higher oxygen content than nitrogen as its composition, and a nitride oxide refers to a material having a higher nitrogen content than oxygen as its composition. Indicates.

また、絶縁膜651a及び絶縁膜651bとして、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。   Alternatively, the insulating film 651a and the insulating film 651b may be formed using silicon oxide with good step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen, nitrous oxide, or the like. Good.

絶縁膜651a及び絶縁膜651bは、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法(熱CVD法、MOCVD(Metal Organic CVD)法、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法等を含む)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法等で成膜してもよい。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   The insulating film 651a and the insulating film 651b include a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (including a thermal CVD method, a MOCVD (Metal Organic CVD) method, a PECVD (Plasma Enhanced CVD) method, and the like), MBE (Molecular Beam). Alternatively, a film may be formed by a method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a PLD (Pulsed Laser Deposition) method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

また、基板640に半導体基板を用いた場合、熱酸化膜で絶縁膜651aを形成してもよい。   In the case where a semiconductor substrate is used as the substrate 640, the insulating film 651a may be formed using a thermal oxide film.

導電膜674は、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ストロンチウム(Sr)の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Cu−Mn合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがCuの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。   The conductive film 674 includes copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gold (Au), aluminum (Al), manganese (Mn), titanium (Ti), tantalum (Ta), nickel (Ni), Made of low resistance material such as chromium (Cr), lead (Pb), tin (Sn), iron (Fe), cobalt (Co), ruthenium (Ru), platinum (Pt), iridium (Ir), strontium (Sr) It is preferable to form a single layer or a stacked layer of a conductive film containing a single substance, an alloy, or a compound containing these as a main component. In particular, it is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity. Moreover, it is preferable to form with low resistance conductive materials, such as aluminum and copper. Further, it is preferable to use a Cu—Mn alloy because manganese oxide is formed at the interface with the oxygen-containing insulator, and the manganese oxide has a function of suppressing Cu diffusion.

導電膜674の形成は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。   The conductive film 674 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like.

絶縁膜651bの表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で平坦化することが好ましい。また、絶縁膜651bとして平坦化膜を用いてもよい。その場合は、必ずしもCMP法等で平坦化しなくともよい。平坦化膜の形成には、例えば常圧CVD法や、塗布法などを用いることができる。常圧CVD法を用いて形成できる膜としては例えば、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)等が挙げられる。また、塗布法を用いて形成できる膜としては例えば、HSQ(水素シルセスキオキサン)等が挙げられる。   It is preferable that the surface of the insulating film 651b be planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. Further, a planarization film may be used as the insulating film 651b. In that case, the planarization is not necessarily performed by the CMP method or the like. For example, an atmospheric pressure CVD method or a coating method can be used to form the planarizing film. Examples of the film that can be formed using the atmospheric pressure CVD method include BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass). Moreover, as a film | membrane which can be formed using the apply | coating method, HSQ (hydrogen silsesquioxane) etc. are mentioned, for example.

以降では、絶縁膜651a及び絶縁膜651bをまとめて絶縁膜651と記載することにする。   Hereinafter, the insulating film 651a and the insulating film 651b are collectively referred to as an insulating film 651.

絶縁膜656及び絶縁膜652は、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法、またはPLD法等で成膜してもよい。   The insulating film 656 and the insulating film 652 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like.

絶縁膜656は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜656としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。   The insulating film 656 preferably has a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, or the like. As the insulating film 656, for example, a nitride insulating film can be used. Examples of the nitride insulating film include silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide. Note that an oxide insulating film may be provided instead of the nitride insulating film. Examples of the oxide insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, and the like include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride.

絶縁膜652は、半導体660に酸素を供給することができる酸化物を含むことが好ましい。例えば、絶縁膜652として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いることもできる。   The insulating film 652 preferably contains an oxide that can supply oxygen to the semiconductor 660. For example, the insulating film 652 is preferably formed using a material containing silicon oxide or silicon oxynitride. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used.

絶縁膜652に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁膜652の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁膜652に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。   In order to make the insulating film 652 contain excessive oxygen, for example, the insulating film 652 may be formed in an oxygen atmosphere. Alternatively, oxygen may be introduced into the insulating film 652 after film formation to form a region containing excess oxygen, or both means may be combined.

例えば、成膜後の絶縁膜652に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the insulating film 652 that has been formed, so that a region containing excess oxygen is formed. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

また、絶縁膜652を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにCMP法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。   Alternatively, after the insulating film 652 is formed, planarization treatment using a CMP method or the like may be performed in order to improve planarity of the upper surface.

半導体661と半導体662とは、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。半導体661及び半導体662は、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。   The semiconductor 661 and the semiconductor 662 are preferably formed successively without being exposed to the air. The semiconductor 661 and the semiconductor 662 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.

半導体661及び半導体662に用いることができる材料は、図37及び図38の半導体661及び半導体662の記載を参照すればよい。   For materials that can be used for the semiconductor 661 and the semiconductor 662, the description of the semiconductor 661 and the semiconductor 662 in FIGS.

なお、半導体661及び半導体662として、In−Ga−Zn酸化物層をMOCVD法によって成膜する場合、原料ガスとしてトリメチルインジウム、トリメチルガリウム及びジメチル亜鉛などを用いればよい。なお、上記原料ガスの組み合わせに限定されず、トリメチルインジウムに代えてトリエチルインジウムなどを用いてもよい。また、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムなどを用いてもよい。また、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛などを用いてもよい。   Note that in the case where an In—Ga—Zn oxide layer is formed by a MOCVD method as the semiconductor 661 and the semiconductor 662, trimethylindium, trimethylgallium, dimethylzinc, or the like may be used as a source gas. The combination of the source gases is not limited, and triethylindium or the like may be used instead of trimethylindium. Further, triethylgallium or the like may be used instead of trimethylgallium. Further, diethyl zinc or the like may be used instead of dimethyl zinc.

ここで、半導体661を形成した後に、半導体661に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の半導体661に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   Here, oxygen may be introduced into the semiconductor 661 after the semiconductor 661 is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the semiconductor 661 after film formation to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

半導体661及び半導体662を成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、半導体膜を成膜した直後に行ってもよいし、半導体膜を加工して島状の半導体661及び半導体662を形成した後に行ってもよい。加熱処理により、絶縁膜652や酸化物膜から半導体に酸素が供給され、半導体中の酸素欠損を低減することができる。   Heat treatment is preferably performed after the semiconductor 661 and the semiconductor 662 are formed. The heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state. The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere. The heat treatment may be performed immediately after the semiconductor film is formed, or may be performed after the semiconductor film is processed to form the island-shaped semiconductor 661 and the semiconductor 662. By the heat treatment, oxygen is supplied from the insulating film 652 and the oxide film to the semiconductor, so that oxygen vacancies in the semiconductor can be reduced.

半導体663、絶縁膜653及び導電膜673は、スパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法またはPLD法、ALD法などを用いて成膜すればよい。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   The semiconductor 663, the insulating film 653, and the conductive film 673 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. In particular, a CVD method, preferably a plasma CVD method, is preferable because coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

半導体663及び絶縁膜653は、導電膜673形成後にエッチングしてもよい。エッチングは、例えばレジストマスクを用いて行えばよい。または、形成した導電膜673をマスクとして絶縁膜653及び半導体663をエッチングしてもよい。   The semiconductor 663 and the insulating film 653 may be etched after the conductive film 673 is formed. Etching may be performed using a resist mask, for example. Alternatively, the insulating film 653 and the semiconductor 663 may be etched using the formed conductive film 673 as a mask.

また半導体663を形成した後に、半導体663に酸素を導入してもよい。例えば、成膜後の半導体663に酸素(少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む)を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。   Further, oxygen may be introduced into the semiconductor 663 after the semiconductor 663 is formed. For example, oxygen (including at least one of oxygen radicals, oxygen atoms, and oxygen ions) is introduced into the semiconductor 663 after film formation to form a region containing excess oxygen. As a method for introducing oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, plasma treatment, or the like can be used.

酸素導入処理には、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、例えば酸素、亜酸化窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよい。または、水素等を含ませてもよい。例えば、二酸化炭素、水素及びアルゴンの混合ガスを用いるとよい。   A gas containing oxygen can be used for the oxygen introduction treatment. As the gas containing oxygen, for example, oxygen, nitrous oxide, nitrogen dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like can be used. Further, in the oxygen introduction treatment, a gas containing oxygen may contain a rare gas. Alternatively, hydrogen or the like may be included. For example, a mixed gas of carbon dioxide, hydrogen, and argon may be used.

半導体663に用いることができる材料は、図37及び図38の半導体663の記載を参照すればよい。   For materials that can be used for the semiconductor 663, the description of the semiconductor 663 in FIGS.

絶縁膜653には、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜653は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜653に、ランタン(La)、窒素、ジルコニウム(Zr)などを、不純物として含んでいてもよい。   The insulating film 653 is formed using aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide. One or more insulating films can be used. The insulating film 653 may be a stack of the above materials. Note that the insulating film 653 may contain lanthanum (La), nitrogen, zirconium (Zr), or the like as an impurity.

また、絶縁膜653の積層構造の一例について説明する。絶縁膜653は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。   An example of a stacked structure of the insulating film 653 will be described. The insulating film 653 includes, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium, or the like. Specifically, it preferably contains hafnium oxide and silicon oxide or silicon oxynitride.

酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜653の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。   Hafnium oxide has a higher dielectric constant than silicon oxide or silicon oxynitride. Accordingly, the thickness of the insulating film 653 can be increased as compared with the case where silicon oxide is used, and thus leakage current due to tunneling current can be reduced. That is, a transistor with a small off-state current can be realized.

絶縁膜654は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有することが好ましい。絶縁膜654としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。絶縁膜654は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁膜をCVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。   The insulating film 654 preferably has a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, alkali metal, alkaline earth metal, or the like. As the insulating film 654, for example, a nitride insulating film can be used. Examples of the nitride insulating film include silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, and aluminum nitride oxide. Note that an oxide insulating film having a blocking effect of oxygen, hydrogen, water, or the like may be provided instead of the nitride insulating film. Examples of the oxide insulating film include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride. The insulating film 654 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, it is preferable to form the insulating film by a CVD method, preferably a plasma CVD method, because the coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred.

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜654に適用するのに好ましい。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を半導体660に拡散させることもできる。   The aluminum oxide film is preferable for application to the insulating film 654 because the aluminum oxide film has a high blocking effect of preventing both the hydrogen and moisture impurities and oxygen from permeating through the film. In addition, oxygen contained in the aluminum oxide film can be diffused into the semiconductor 660.

絶縁膜654の成膜後、加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理により、絶縁膜652等から半導体660に対して酸素を供給し、半導体660中の酸素欠損を低減することができる。またこのとき、絶縁膜652から脱離した酸素は、絶縁膜656及び絶縁膜654によってブロックされるため、当該酸素を効果的に閉じ込めることができる。そのため半導体660に供給しうる酸素の量を増大させることができ、半導体660中の酸素欠損を効果的に低減することができる。   Heat treatment is preferably performed after the insulating film 654 is formed. Through this heat treatment, oxygen can be supplied from the insulating film 652 and the like to the semiconductor 660, so that oxygen vacancies in the semiconductor 660 can be reduced. At this time, oxygen released from the insulating film 652 is blocked by the insulating film 656 and the insulating film 654, so that the oxygen can be effectively confined. Therefore, the amount of oxygen that can be supplied to the semiconductor 660 can be increased, and oxygen vacancies in the semiconductor 660 can be effectively reduced.

絶縁膜655は、例えばスパッタリング法、CVD法(熱CVD法、MOCVD法、PECVD法等を含む)、MBE法、ALD法またはPLD法などを用いて形成することができる。特に、CVD法、好ましくはプラズマCVD法によって成膜すると、被覆性を良好なものとすることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱CVD法、MOCVD法あるいはALD法が好ましい。また絶縁膜655として有機樹脂などの有機絶縁材料を用いる場合には、スピンコート法などの塗布法を用いて形成してもよい。また、絶縁膜655を形成した後にその上面に対して平坦化処理を行うことが好ましい。   The insulating film 655 can be formed by, for example, a sputtering method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like), an MBE method, an ALD method, a PLD method, or the like. In particular, a CVD method, preferably a plasma CVD method, is preferable because coverage can be improved. In order to reduce plasma damage, thermal CVD, MOCVD or ALD is preferred. In the case where an organic insulating material such as an organic resin is used for the insulating film 655, a coating method such as a spin coating method may be used. Further, after the insulating film 655 is formed, planarization treatment is preferably performed on the top surface thereof.

絶縁膜655には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、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、絶縁膜655には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜655は上記材料の積層であってもよい。   The insulating film 655 includes aluminum oxide, aluminum nitride oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and hafnium oxide. An insulator containing one or more selected from tantalum oxide and the like can be used. The insulating film 655 can be formed using an organic resin such as a polyimide resin, a polyamide resin, an acrylic resin, a siloxane resin, an epoxy resin, or a phenol resin. The insulating film 655 may be a stack of the above materials.

〈トランジスタの構成例2〉
図36で示したトランジスタ600は、絶縁膜652および半導体662上に絶縁膜655を設けた後、絶縁膜655に開口部を設け、該開口部を埋めこむように半導体663、絶縁膜653および導電膜673を形成する例を示す。また図36において、絶縁膜654は、絶縁膜655および導電膜673の上面に接する。また、絶縁膜655に開口部を設ける際に、導電膜671および導電膜672となる導電膜の一部を除去することにより導電膜671および導電膜672を形成してもよい。
<Example 2 of transistor configuration>
In the transistor 600 illustrated in FIG. 36, after the insulating film 655 is provided over the insulating film 652 and the semiconductor 662, an opening is provided in the insulating film 655, and the semiconductor 663, the insulating film 653, and the conductive film are embedded to fill the opening. An example of forming 673 is shown. In FIG. 36, the insulating film 654 is in contact with the top surfaces of the insulating film 655 and the conductive film 673. Further, when the opening is provided in the insulating film 655, the conductive film 671 and the conductive film 672 may be formed by removing part of the conductive film to be the conductive film 671 and the conductive film 672.

〈トランジスタの構成例3〉
図37で示したトランジスタ600は、導電膜673をエッチングで形成する際に、半導体663及び絶縁膜653を、同時にエッチングしてもよい。一例を図39に示す。
<Configuration Example 3 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIGS. 37A and 37B, the semiconductor 663 and the insulating film 653 may be etched at the same time when the conductive film 673 is formed by etching. An example is shown in FIG.

図39は、図37(B)において、導電膜673の下のみに、半導体663及び絶縁膜653が存在する場合である。   FIG. 39 shows the case where the semiconductor 663 and the insulating film 653 exist only under the conductive film 673 in FIG.

〈トランジスタの構成例4〉
図37で示したトランジスタ600は、導電膜671及び導電膜672が、半導体661の側面及び半導体662の側面と接していてもよい。一例を図40に示す。
<Configuration Example 4 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIG. 37, the conductive film 671 and the conductive film 672 may be in contact with the side surface of the semiconductor 661 and the side surface of the semiconductor 662. An example is shown in FIG.

図40は、図37(B)において、導電膜671及び導電膜672が、半導体661の側面及び半導体662の側面と接している場合である。   FIG. 40 illustrates the case where the conductive film 671 and the conductive film 672 are in contact with the side surface of the semiconductor 661 and the side surface of the semiconductor 662 in FIG.

〈トランジスタの構成例5〉
図37で示したトランジスタ600は、導電膜671が、導電膜671a及び導電膜671bの積層構造としてもよい。また、導電膜672が、導電膜672a及び導電膜672bの積層構造としてもよい。一例として、図41に示す。
<Structure Example 5 of Transistor>
In the transistor 600 illustrated in FIGS. 37A and 37B, the conductive film 671 may have a stacked structure of a conductive film 671a and a conductive film 671b. Alternatively, the conductive film 672 may have a stacked structure of a conductive film 672a and a conductive film 672b. An example is shown in FIG.

図41は、図37(B)において、導電膜671が、導電膜671a及び導電膜671bの積層構造とし、導電膜672が、導電膜672a及び導電膜672bの積層構造とした場合である。   FIG. 41 illustrates the case where the conductive film 671 has a stacked structure of conductive films 671a and 671b and the conductive film 672 has a stacked structure of conductive films 672a and 672b in FIG.

導電膜671bおよび導電膜672bとしては、例えば、透明導電体、酸化物半導体、窒化物半導体または酸化窒化物半導体を用いればよい。導電膜671bおよび導電膜672bとしては、例えば、インジウム、スズおよび酸素を含む膜、インジウムおよび亜鉛を含む膜、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含む膜、スズおよび亜鉛を含む膜、亜鉛およびガリウムを含む膜、亜鉛およびアルミニウムを含む膜、亜鉛およびフッ素を含む膜、亜鉛およびホウ素を含む膜、スズおよびアンチモンを含む膜、スズおよびフッ素を含む膜またはチタンおよびニオブを含む膜などを用いればよい。または、これらの膜が水素、炭素、窒素、シリコン、ゲルマニウムまたはアルゴンを含んでも構わない。   As the conductive film 671b and the conductive film 672b, for example, a transparent conductor, an oxide semiconductor, a nitride semiconductor, or an oxynitride semiconductor may be used. Examples of the conductive film 671b and the conductive film 672b include a film containing indium, tin and oxygen, a film containing indium and zinc, a film containing indium, tungsten and zinc, a film containing tin and zinc, and a film containing zinc and gallium. A film containing zinc and aluminum, a film containing zinc and fluorine, a film containing zinc and boron, a film containing tin and antimony, a film containing tin and fluorine, or a film containing titanium and niobium may be used. Alternatively, these films may contain hydrogen, carbon, nitrogen, silicon, germanium, or argon.

導電膜671bおよび導電膜672bは、可視光線を透過する性質を有しても構わない。または、導電膜671bおよび導電膜672bは、可視光線、紫外線、赤外線もしくはX線を、反射もしくは吸収することで透過させない性質を有しても構わない。このような性質を有することで、迷光によるトランジスタの電気特性の変動を抑制できる場合がある。   The conductive films 671b and 672b may have a property of transmitting visible light. Alternatively, the conductive film 671b and the conductive film 672b may have a property of not transmitting visible light, ultraviolet light, infrared light, or X-rays by reflection or absorption. By having such a property, a change in electrical characteristics of the transistor due to stray light may be suppressed in some cases.

また、導電膜671bおよび導電膜672bは、半導体662などとの間にショットキー障壁を形成しない層を用いると好ましい場合がある。こうすることで、トランジスタのオン特性を向上させることができる。   The conductive films 671b and 672b may preferably be formed using a layer that does not form a Schottky barrier with the semiconductor 662 or the like. Thus, the on-state characteristics of the transistor can be improved.

導電膜671aおよび導電膜672a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、合金膜や化合物膜であってもよく、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。   As the conductive film 671a and the conductive film 672a, for example, boron, nitrogen, oxygen, fluorine, silicon, phosphorus, aluminum, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, molybdenum, ruthenium, A conductor including one or more of silver, indium, tin, tantalum, and tungsten may be used in a single layer or a stacked layer. For example, it may be an alloy film or a compound film, and includes a conductor containing aluminum, a conductor containing copper and titanium, a conductor containing copper and manganese, a conductor containing indium, tin and oxygen, titanium and nitrogen. A conductor or the like may be used.

なお、導電膜671bおよび導電膜672bは、導電膜671aおよび導電膜672aよりも高抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。また、導電膜671bおよび導電膜672bは、トランジスタのチャネルよりも低抵抗の膜を用いると好ましい場合がある。例えば、導電膜671bおよび導電膜672bの抵抗率を、0.1Ωcm以上100Ωcm以下、0.5Ωcm以上50Ωcm以下、または1Ωcm以上10Ωcm以下とすればよい。導電膜671bおよび導電膜672bの抵抗率を上述の範囲とすることにより、チャネルとドレインとの境界部における電界集中を緩和することができる。そのため、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。また、ドレインから生じる電界に起因したパンチスルー電流を低減することができる。そのため、チャネル長の短いトランジスタにおいても、飽和特性を良好にすることができる。なお、ソースとドレインとが入れ替わらない回路構成であれば、導電膜671bおよび導電膜672bのいずれか一方のみ(例えば、ドレイン側)を配置するほうが好ましい場合がある。   Note that there may be a case where it is preferable that the conductive films 671b and 672b be higher resistance than the conductive films 671a and 672a. In some cases, the conductive film 671b and the conductive film 672b each preferably have a lower resistance than the channel of the transistor. For example, the resistivity of the conductive films 671b and 672b may be 0.1 Ωcm to 100 Ωcm, 0.5 Ωcm to 50 Ωcm, or 1 Ωcm to 10 Ωcm. By setting the resistivity of the conductive films 671b and 672b in the above range, electric field concentration at the boundary between the channel and the drain can be reduced. Therefore, variation in electrical characteristics of the transistor can be reduced. In addition, the punch-through current due to the electric field generated from the drain can be reduced. Therefore, saturation characteristics can be improved even in a transistor with a short channel length. Note that in a circuit configuration in which the source and the drain are not interchanged, it may be preferable to dispose only one of the conductive films 671b and 672b (for example, the drain side).

〈トランジスタの構成例6〉
図42(A)及び図42(B)は、トランジスタ680の上面図および断面図である。図42(A)は上面図であり、図42(A)に示す一点鎖線A−B方向の断面が図42(B)に相当する。なお、図42(A)及び図42(B)では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線A−B方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
<Structure Example 6 of Transistor>
42A and 42B are a top view and a cross-sectional view of the transistor 680, respectively. FIG. 42A is a top view, and a cross section in the direction of dashed-dotted line AB in FIG. 42A corresponds to FIG. Note that in FIGS. 42A and 42B, some elements are illustrated in an enlarged, reduced, or omitted manner for clarity. In addition, the direction of the alternate long and short dash line AB may be referred to as a channel length direction.

図42(B)に示すトランジスタ680は、第1のゲートとして機能する導電膜689と、第2のゲートとして機能する導電膜688と、半導体682と、ソース及びドレインとして機能する導電膜683及び導電膜684と、絶縁膜681と、絶縁膜685と、絶縁膜686と、絶縁膜687と、を有する。   A transistor 680 illustrated in FIG. 42B includes a conductive film 689 functioning as a first gate, a conductive film 688 functioning as a second gate, a semiconductor 682, a conductive film 683 functioning as a source and a drain, and a conductive film. A film 684, an insulating film 681, an insulating film 685, an insulating film 686, and an insulating film 687 are included.

導電膜689は、絶縁表面上に設けられる。導電膜689と、半導体682とは、絶縁膜681を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜688と、半導体682とは、絶縁膜685、絶縁膜686及び絶縁膜687を間に挟んで、互いに重なる。また、導電膜683及び導電膜684は、半導体682に、接続されている。   The conductive film 689 is provided over the insulating surface. The conductive film 689 and the semiconductor 682 overlap with each other with the insulating film 681 interposed therebetween. The conductive film 688 and the semiconductor 682 overlap with each other with the insulating film 685, the insulating film 686, and the insulating film 687 interposed therebetween. The conductive films 683 and 684 are connected to the semiconductor 682.

導電膜689及び導電膜688の詳細は、図37に示す導電膜673及び導電膜674の記載を参照すればよい。   For details of the conductive films 689 and 688, the description of the conductive films 673 and 674 illustrated in FIGS.

導電膜689と導電膜688は、異なる電位が与えられてもよいし、同時に同じ電位が与えられてもよい。トランジスタ680は、第2のゲート電極として機能する導電膜688を設けることで、しきい値を安定化させることが可能になる。なお、導電膜688は、場合によっては省略してもよい。   The conductive films 689 and 688 may be supplied with different potentials or can be supplied with the same potential at the same time. In the transistor 680, the conductive film 688 functioning as the second gate electrode is provided, so that the threshold value can be stabilized. Note that the conductive film 688 may be omitted depending on circumstances.

半導体682の詳細は、図37に示す半導体662の記載を参照すればよい。また、半導体682は、一層でも良いし、複数の半導体層の積層でも良い。   For the details of the semiconductor 682, the description of the semiconductor 662 illustrated in FIG. Further, the semiconductor 682 may be a single layer or a stacked layer of a plurality of semiconductor layers.

導電膜683及び導電膜684の詳細は、図37に示す導電膜671及び導電膜672の記載を参照すればよい。   For the details of the conductive films 683 and 684, the description of the conductive films 671 and 672 illustrated in FIGS.

絶縁膜681の詳細は、図37に示す絶縁膜653の記載を参照すればよい。   For the details of the insulating film 681, the description of the insulating film 653 illustrated in FIGS.

なお、図42(B)では、半導体682、導電膜683及び導電膜684上に、順に積層された絶縁膜685乃至絶縁膜687が設けられている場合を例示しているが、半導体682、導電膜683及び導電膜684上に設けられる絶縁膜は、一層でも良いし、複数の絶縁膜の積層でも良い。   Note that FIG. 42B illustrates the case where the insulating films 685 to 687 are sequentially stacked over the semiconductor 682, the conductive film 683, and the conductive film 684; The insulating film provided over the films 683 and 684 may be a single layer or a stack of a plurality of insulating films.

半導体682に酸化物半導体を用いた場合、絶縁膜686は、化学量論的組成以上の酸素が含まれており、加熱により上記酸素の一部を半導体682に供給する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、絶縁膜686を半導体682上に直接設けると、絶縁膜686の形成時に半導体682にダメージが与えられる場合、図42(B)に示すように、絶縁膜685を半導体682と絶縁膜686の間に設けると良い。絶縁膜685は、その形成時に半導体682に与えるダメージが絶縁膜686の場合よりも小さく、なおかつ、酸素を透過する機能を有する絶縁膜であることが望ましい。ただし、半導体682に与えられるダメージを小さく抑えつつ、半導体682上に絶縁膜686を直接形成することができるのであれば、絶縁膜685は必ずしも設けなくとも良い。   In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 682, the insulating film 686 is an insulating film that contains oxygen in excess of the stoichiometric composition and has a function of supplying part of the oxygen to the semiconductor 682 by heating. It is desirable. However, in the case where the insulating film 686 is directly provided over the semiconductor 682 and the semiconductor 682 is damaged when the insulating film 686 is formed, the insulating film 685 is formed of the semiconductor 682 and the insulating film 686 as illustrated in FIG. It is good to provide in between. The insulating film 685 is desirably an insulating film that has less damage to the semiconductor 682 during the formation than the insulating film 686 and has a function of transmitting oxygen. Note that the insulating film 685 is not necessarily provided as long as the insulating film 686 can be directly formed over the semiconductor 682 while suppressing damage to the semiconductor 682.

例えば、絶縁膜686及び絶縁膜685として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化物を用いることもできる。   For example, the insulating film 686 and the insulating film 685 are preferably formed using a material containing silicon oxide or silicon oxynitride. Alternatively, a metal oxide such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, or hafnium oxynitride can be used.

絶縁膜687は、酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。或いは、絶縁膜687は、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を有することが、望ましい。   The insulating film 687 desirably has a blocking effect for preventing diffusion of oxygen, hydrogen, and water. Alternatively, the insulating film 687 desirably has a blocking effect that prevents diffusion of hydrogen and water.

絶縁膜は、密度が高くて緻密である程、また未結合手が少なく化学的に安定である程、より高いブロッキング効果を示す。酸素、水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いて、形成することができる。水素、水の拡散を防ぐブロッキング効果を示す絶縁膜は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。   The insulating film exhibits a higher blocking effect as it is denser and denser, and as it is chemically stable with fewer dangling bonds. Examples of the insulating film that exhibits a blocking effect to prevent diffusion of oxygen, hydrogen, and water include aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, and hafnium oxynitride. Can be formed. For example, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like can be used as the insulating film exhibiting a blocking effect for preventing diffusion of hydrogen and water.

絶縁膜687が水、水素などの拡散を防ぐブロッキング効果を有する場合、パネル内の樹脂や、パネルの外部に存在する水、水素などの不純物が、半導体682に侵入するのを防ぐことができる。半導体682に酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体に侵入した水または水素の一部は電子供与体(ドナー)となるため、上記ブロッキング効果を有する絶縁膜687を用いることで、トランジスタ680の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。   In the case where the insulating film 687 has a blocking effect for preventing diffusion of water, hydrogen, and the like, it is possible to prevent the resin in the panel and impurities such as water and hydrogen existing outside the panel from entering the semiconductor 682. In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 682, part of water or hydrogen that has entered the oxide semiconductor becomes an electron donor (donor); therefore, the insulating film 687 having the above-described blocking effect is used, whereby the threshold value of the transistor 680 is obtained. The voltage can be prevented from shifting due to the generation of donors.

また、半導体682に酸化物半導体を用いる場合、絶縁膜687が酸素の拡散を防ぐブロッキング効果を有することで、酸化物半導体からの酸素が外部に拡散するのを防ぐことができる。よって、酸化物半導体中において、ドナーとなる酸素欠損が低減されるので、トランジスタ680の閾値電圧がドナーの生成によりシフトするのを防ぐことができる。   In the case where an oxide semiconductor is used for the semiconductor 682, the insulating film 687 has a blocking effect for preventing diffusion of oxygen, so that oxygen from the oxide semiconductor can be prevented from diffusing to the outside. Accordingly, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor are reduced, so that the threshold voltage of the transistor 680 can be prevented from being shifted due to generation of donors.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様である、表示部を有する半導体装置について、図43及び図44を用いて説明を行う。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a semiconductor device having a display portion which is one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態に示す半導体装置5は、先の実施の形態に示した半導体装置100と組み合わせることで、センサが取得したデータを表示部に表示する機能を有する。   The semiconductor device 5 described in this embodiment has a function of displaying data acquired by a sensor on a display portion in combination with the semiconductor device 100 described in the above embodiment.

図43(A)には、本発明の一態様を示す半導体装置5の回路ブロック図を示している。   FIG. 43A is a circuit block diagram of the semiconductor device 5 according to one embodiment of the present invention.

半導体装置5は、アンテナ50と、RFデバイス60と、電力制御回路55と、表示部61と、バッテリ59と、を有している。また、RFデバイス60は、電源回路51と、アナログ回路52と、メモリ53と、論理回路54と、を有している。   The semiconductor device 5 includes an antenna 50, an RF device 60, a power control circuit 55, a display unit 61, and a battery 59. The RF device 60 includes a power supply circuit 51, an analog circuit 52, a memory 53, and a logic circuit 54.

アンテナ50は、無線信号RFを電気信号に、または電気信号を無線信号RFにして、例えばリーダーなどの外部装置と信号の送受信を行う機能を有する。アンテナ50は、無線信号RFの周波数帯に応じて複数設けられていてもよい。なお無線信号RFは、変調された搬送波である。変調方式には、例えばアナログ変調またはデジタル変調であり、振幅変調、位相変調、周波数変調及びスペクトラム拡散のいずれかを用いればよい。   The antenna 50 has a function of transmitting / receiving a signal to / from an external device such as a reader using the radio signal RF as an electrical signal or the electrical signal as a radio signal RF. A plurality of antennas 50 may be provided according to the frequency band of the radio signal RF. The radio signal RF is a modulated carrier wave. The modulation method is, for example, analog modulation or digital modulation, and any one of amplitude modulation, phase modulation, frequency modulation, and spread spectrum may be used.

無線信号RFの周波数帯は、法令等に基づいて適宜選択すればよく、例えば135kHz帯の長波帯、13.56MHz帯の短波帯、900MHz帯のUHF帯、2.45GHz帯のマイクロ波帯等を用いることができる。無線信号RFの周波数帯に応じて、アンテナ50の構造を選択すればよい。   The frequency band of the radio signal RF may be appropriately selected based on laws and regulations. For example, a long wave band of 135 kHz band, a short wave band of 13.56 MHz band, a UHF band of 900 MHz band, a microwave band of 2.45 GHz band, etc. Can be used. The structure of the antenna 50 may be selected according to the frequency band of the radio signal RF.

電源回路51は、無線信号RFを基に電圧を生成する機能を有する回路である。電源回路51で生成される電圧は、半導体装置5が有する各回路に与えられる。なお、電源回路51が生成する電圧は、一つに限らず複数であってもよい。   The power supply circuit 51 is a circuit having a function of generating a voltage based on the radio signal RF. The voltage generated by the power supply circuit 51 is given to each circuit included in the semiconductor device 5. Note that the voltage generated by the power supply circuit 51 is not limited to one and may be plural.

アナログ回路52は、無線信号RFを、変調または復調する機能を有する。   The analog circuit 52 has a function of modulating or demodulating the radio signal RF.

論理回路54は、無線信号RFが有するコマンドを実行する機能を有する。例えば、コマンドに従って、表示部61の発光状態を制御する機能を有する。   The logic circuit 54 has a function of executing a command included in the radio signal RF. For example, according to a command, it has the function to control the light emission state of the display part 61. FIG.

表示部61には、様々な種類の表示デバイスを用いることが可能である。例えば、EL素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、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、MEMSを用いた表示素子、DMD、DMS、MIRASOL(登録商標)、IMOD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発光素子、などが挙げられる。   Various types of display devices can be used for the display unit 61. For example, EL elements (EL elements including organic and inorganic substances, organic EL elements, inorganic EL elements), LEDs (white LEDs, red LEDs, green LEDs, blue LEDs, etc.), transistors (transistors that emit light in response to current), electrons Emitting element, liquid crystal element, electronic ink, electrophoretic element, display element using MEMS, DMD, DMS, MIRASOL (registered trademark), IMOD element, shutter type MEMS display element, optical interference type MEMS display element, electrowetting And a light emitting element using a carbon nanotube, and the like.

メモリ53は、表示部61に表示されるデータを記憶する機能を有する。なお、図43(B)に示すように、メモリ53と論理回路54との間に配線を設け、論理回路54を介して、メモリ53に記憶されたデータを表示部61に供給してもよい。   The memory 53 has a function of storing data displayed on the display unit 61. Note that as shown in FIG. 43B, wiring may be provided between the memory 53 and the logic circuit 54, and data stored in the memory 53 may be supplied to the display portion 61 through the logic circuit 54. .

メモリ53は、電源の供給が間欠的に行われた場合でもデータの消失を防ぐために、不揮発性メモリを用いることが好ましい。特に、メモリ53は、実施の形態2で説明した酸化物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることが好ましい。酸化物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることで、メモリ53は、高温でのデータ保持が可能になる。また、酸化物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることで、メモリ53は、低電圧でデータを書き込むことが可能になる。また、酸化物半導体を用いた不揮発性メモリを用いることで、メモリ53は、デジタルデータだけでなく、アナログデータも記憶することが可能になる。   The memory 53 is preferably a non-volatile memory in order to prevent data loss even when power is supplied intermittently. In particular, the memory 53 is preferably a nonvolatile memory including the oxide semiconductor described in Embodiment 2. By using a non-volatile memory using an oxide semiconductor, the memory 53 can hold data at a high temperature. In addition, by using a nonvolatile memory including an oxide semiconductor, the memory 53 can write data with a low voltage. Further, by using a nonvolatile memory including an oxide semiconductor, the memory 53 can store not only digital data but also analog data.

なお、メモリ53がデジタルデータのみを記憶する場合、メモリ53は、例えば、フラッシュメモリの他、強誘電体メモリ(FeRAM)、磁気抵抗メモリ(MRAM)、相変化メモリ(PRAM)、抵抗変化型メモリ(ReRAM)等を用いることができる。   When the memory 53 stores only digital data, the memory 53 is, for example, a ferroelectric memory (FeRAM), a magnetoresistive memory (MRAM), a phase change memory (PRAM), a resistance change type memory in addition to a flash memory. (ReRAM) or the like can be used.

バッテリ59には、繰り返し充放電が可能な二次電池又は電気二重層キャパシタを用いればよい。特に、バッテリ59は、無線信号RFの電力で充電されることが好ましい。   The battery 59 may be a secondary battery or an electric double layer capacitor that can be repeatedly charged and discharged. In particular, the battery 59 is preferably charged with the power of the radio signal RF.

なお、バッテリ59には、放電のみを行う一次電池を用いても良い。   The battery 59 may be a primary battery that performs only discharging.

電力制御回路55は、電力の供給を制御する機能を有する。例えば、無線信号RFの強度が強いときは、電力制御回路55は、バッテリ59を充電する機能を有する。また、無線信号RFの強度が弱いときは、バッテリ59がRFデバイス60の電力を補う機能を有する。   The power control circuit 55 has a function of controlling power supply. For example, when the intensity of the radio signal RF is strong, the power control circuit 55 has a function of charging the battery 59. Further, when the intensity of the radio signal RF is weak, the battery 59 has a function of supplementing the power of the RF device 60.

半導体装置5を上記構成にすることで、半導体装置5は、表示部61など、無線信号RFの電力だけでは駆動できない回路を駆動することが可能になる。   When the semiconductor device 5 is configured as described above, the semiconductor device 5 can drive a circuit that cannot be driven only by the power of the radio signal RF, such as the display unit 61.

また、半導体装置5を上記構成にすることで、半導体装置5は、無線信号RFが供給されていない期間でも、動作することが可能になる。また、半導体装置5は、無線信号RFが供給されていない期間でも、表示部61に情報を表示することが可能になる。また、半導体装置5は、バッテリ59の充放電を効率よく行うことが可能になり、長期間に渡って動作することが可能になる。   Further, by configuring the semiconductor device 5 as described above, the semiconductor device 5 can operate even during a period in which the radio signal RF is not supplied. In addition, the semiconductor device 5 can display information on the display unit 61 even during a period in which the wireless signal RF is not supplied. Further, the semiconductor device 5 can efficiently charge and discharge the battery 59 and can operate for a long period of time.

次に半導体装置5を具備する表示装置の一例について、図44を用いて説明を行う。   Next, an example of a display device including the semiconductor device 5 will be described with reference to FIG.

図44は表示装置70の外観図を示している。表示装置70は、回路基板71と、バッテリ72と、太陽電池73と、表示部74と、支持体75と、を有する。   FIG. 44 shows an external view of the display device 70. The display device 70 includes a circuit board 71, a battery 72, a solar cell 73, a display unit 74, and a support body 75.

回路基板71は、アンテナ50と、RFデバイス60と、電力制御回路55と、を有している。   The circuit board 71 includes an antenna 50, an RF device 60, and a power control circuit 55.

太陽電池73は、バッテリ72を充電する機能を有する。表示装置70は、無線信号が供給されていない場合でも、太陽電池73によって、バッテリ72を充電する機能を有する。   The solar cell 73 has a function of charging the battery 72. The display device 70 has a function of charging the battery 72 with the solar cell 73 even when no wireless signal is supplied.

支持体75には、可撓性をもつ薄膜状の材料を用いることが好ましい。支持体75が可撓性をもつことで、例えば、表示装置70を壁などに張ることが可能になる。また、表示装置70を天井などから吊るすことが可能になる。   The support 75 is preferably made of a thin film material having flexibility. Since the support body 75 has flexibility, for example, the display device 70 can be stretched on a wall or the like. Further, the display device 70 can be suspended from the ceiling or the like.

支持体75としては、例えば、プラスチック、ステンレス・スチル・ホイル、タングステン・ホイル、可撓性基板、貼り合わせフィルム、基板フィルム、繊維状の材料を含む紙、又は木材などを用いればよい。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。   As the support body 75, for example, plastic, stainless steel still foil, tungsten foil, a flexible substrate, a laminated film, a substrate film, paper containing a fibrous material, wood, or the like may be used. As an example of the flexible substrate, there are plastics typified by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES), or a synthetic resin having flexibility such as acrylic. Examples of the laminated film include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. Examples of the base film include polyester, polyamide, polyimide, aramid, epoxy, inorganic vapor deposition film, and papers.

表示装置70は、無線信号によって、外部から供給された画像情報を、表示部74に表示する機能を有する。そのため、表示装置70は。画像情報の更新を容易に行うことが可能である。   The display device 70 has a function of displaying image information supplied from the outside on the display unit 74 by a wireless signal. Therefore, the display device 70 is. It is possible to easily update the image information.

例えば、表示装置70を、街頭のポスターとして使用した場合、表示装置70は、スマートフォンなど、通行人が所持する携帯端末から発せられた無線信号を受信し、その人の嗜好に合わせた広告を、表示部74に表示する機能を有する。   For example, when the display device 70 is used as a street poster, the display device 70 receives a radio signal emitted from a mobile terminal possessed by a passerby such as a smartphone, and displays an advertisement that matches the preference of the person. The display unit 74 has a function of displaying.

(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
<実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記>
(Additional notes regarding the description of this specification etc.)
The above embodiment and description of each component in the embodiment will be added below.
<Supplementary Note on One Aspect of the Invention described in Embodiment>

各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、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。   The structure described in each embodiment can be combined with the structure described in any of the other embodiments as appropriate, for one embodiment of the present invention. In addition, in the case where a plurality of structure examples are given in one embodiment, any of the structure examples can be combined as appropriate.

なお、ある一つの実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。   Note that the content described in one embodiment (may be a part of content) is different from the content described in the embodiment (may be a part of content) and / or one or more other contents. Application, combination, replacement, or the like can be performed on the contents described in the embodiment (may be part of the contents).

なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。   Note that the contents described in the embodiments are the contents described using various drawings or the contents described in the specification in each embodiment.

なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。   Note that a drawing (or a part thereof) described in one embodiment may be another part of the drawing, another drawing (may be a part) described in the embodiment, and / or one or more. More diagrams can be formed by combining the diagrams (may be a part) described in another embodiment.

また、各実施の形態において本発明の一態様を説明したが、本発明の一態様はこれらに限定されない。例えば、本発明の一態様として実施の形態1では、トランジスタ112を利用してサンプルホールド回路101内でアナログ電位を保持し、バッファ回路111等の電源を停止する例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。状況に応じて、例えばトランジスタ112を利用することなく、サンプルホールド回路101内でアナログ電位を保持し、バッファ回路111等の電源を停止する構成を本発明の一態様としてもよい。あるいは状況に応じて、バッファ回路111等の電源を停止しない構成を本願の一態様としてもよい。   Further, although one embodiment of the present invention has been described in each embodiment, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, in Embodiment Mode 1 as an embodiment of the present invention, an example in which the analog potential is held in the sample hold circuit 101 using the transistor 112 and the power supply of the buffer circuit 111 or the like is stopped has been described. One embodiment is not limited to this. A structure in which an analog potential is held in the sample-and-hold circuit 101 and the power source of the buffer circuit 111 or the like is stopped without using the transistor 112, for example, according to circumstances, may be an embodiment of the present invention. Alternatively, a configuration in which the power source of the buffer circuit 111 or the like is not stopped may be used as one embodiment of the present application depending on the situation.

<図面を説明する記載に関する付記> <Additional notes regarding the description explaining the drawings>

本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。   In this specification and the like, terms indicating arrangement such as “above” and “below” are used for convenience in describing the positional relationship between components with reference to the drawings. The positional relationship between the components appropriately changes depending on the direction in which each component is drawn. Therefore, the phrase indicating the arrangement is not limited to the description described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。   Further, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the components is directly above or directly below, and is in direct contact with each other. For example, the expression “electrode B on the insulating layer A” does not require the electrode B to be formed in direct contact with the insulating layer A, and another configuration between the insulating layer A and the electrode B. Do not exclude things that contain elements.

また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。   Further, in the present specification and the like, in the block diagram, the constituent elements are classified by function and shown as independent blocks. However, in an actual circuit or the like, it is difficult to separate the components for each function, and there may be a case where a plurality of functions are involved in one circuit or a case where one function is involved over a plurality of circuits. Therefore, the blocks in the block diagram are not limited to the components described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。   In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is shown in an arbitrary size for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. Note that the drawings are schematically shown for the sake of clarity, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, variation in signal, voltage, or current due to noise, variation in signal, voltage, or current due to timing shift can be included.

また、図面において、上面図(平面図、レイアウト図ともいう)や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。   In the drawings, some components may be omitted from the top view (also referred to as a plan view or a layout view) or a perspective view in order to clarify the drawing.

<言い換え可能な記載に関する付記> <Additional notes on paraphrased descriptions>

本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。   In this specification and the like, when describing a connection relation of a transistor, one of a source and a drain is referred to as “one of a source and a drain” (or a first electrode or a first terminal), and the source and the drain The other is referred to as “the other of the source and the drain” (or the second electrode or the second terminal). This is because the source and drain of a transistor vary depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of the transistor can be appropriately rephrased depending on the situation, such as a source (drain) terminal or a source (drain) electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。   Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位(接地電位)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。   In this specification and the like, voltage and potential can be described as appropriate. The voltage is a potential difference from a reference potential. For example, when the reference potential is a ground potential (ground potential), the voltage can be rephrased as a potential. The ground potential does not necessarily mean 0V. Note that the potential is relative, and the potential applied to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.

なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。   Note that in this specification and the like, terms such as “film” and “layer” can be interchanged with each other depending on the case or circumstances. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.

なお本明細書等において、1つのOSトランジスタ及び一つの容量素子を備えた回路構成で電荷を保持する構成を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。2つ以上のトランジスタ及び2つ以上の容量素子を有する回路構成で電荷を保持することもでき、別途の配線がさらに形成されて、多様な回路構成としてもよい。   Note that in this specification and the like, a structure in which electric charge is held is illustrated with a circuit structure including one OS transistor and one capacitor, but this embodiment is not limited thereto. A circuit configuration including two or more transistors and two or more capacitor elements can hold charges, and a separate wiring may be further formed to have various circuit configurations.

<語句の定義に関する付記>
以下では、上記実施の形態中で言及したかった語句の定義について説明する。
<<スイッチについて>>
本明細書等において、スイッチとは、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するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
<Notes on the definition of words>
In the following, the definition of the phrase that was desired to be mentioned in the above embodiment will be described.
<< About the switch >>
In this specification and the like, a switch refers to a switch that 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 current. Alternatively, the switch refers to a switch having a function of selecting and switching a current flow path.

一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。   As an example, an electrical switch or a mechanical switch can be used. That is, the switch is not limited to a specific one as long as it can control the current.

電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ(例えば、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタなど)、ダイオード(例えば、PNダイオード、PINダイオード、ショットキーダイオード、MIM(Metal Insulator Metal)ダイオード、MIS(Metal Insulator Semiconductor)ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど)、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。   Examples of electrical switches include transistors (for example, bipolar transistors, MOS transistors, etc.), diodes (for example, PN diodes, PIN diodes, Schottky diodes, MIM (Metal Insulator Metal) diodes, MIS (Metal Insulator Semiconductor) diodes. , Diode-connected transistors, etc.), or a logic circuit combining these.

なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性(導電型)は特に限定されない。   Note that in the case where a transistor is used as the switch, the “conducting state” of the transistor means a state where the source and the drain of the transistor can be regarded as being electrically short-circuited. In addition, the “non-conducting state” of a transistor refers to a state where the source and drain of the transistor can be regarded as being electrically cut off. Note that when a transistor is operated as a simple switch, the polarity (conductivity type) of the transistor is not particularly limited.

機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)のように、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。   An example of a mechanical switch is a switch using MEMS (micro electro mechanical system) technology, such as a digital micromirror device (DMD). The switch has an electrode that can be moved mechanically, and operates by controlling conduction and non-conduction by moving the electrode.

<<チャネル長について>>
本明細書等において、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)とゲートとが重なる領域、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の間の距離をいう。
<< About channel length >>
In this specification and the like, the channel length means, for example, in a top view of a transistor, a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate overlap with each other, or a channel is formed. This is the distance between the source and drain in the region.

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 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.

<<チャネル幅について>>
本明細書等において、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。
<< About channel width >>
In this specification and the like, the channel width refers to, for example, a source in a region where a semiconductor (or a portion where a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap, or a region where a channel is formed And the length of the part where the drain faces.

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。   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 referred to as an “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.

<<接続について>>
本明細書等において、AとBとが接続されている、とは、AとBとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、AとBとが電気的に接続されているとは、AとBとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、AとBとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
<< About connection >>
In this specification and the like, “A and B are connected” includes not only those in which A and B are directly connected but also those that are electrically connected. Here, A and B are electrically connected. When there is an object having some electrical action between A and B, it is possible to send and receive electrical signals between A and B. It says that.

なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。   Note that for example, the source (or the first terminal) of the transistor is electrically connected to X through (or not through) Z1, and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is connected to Z2. Through (or without), Y is electrically connected, or the source (or the first terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z1, and another part of Z1 Is directly connected to X, and the drain (or second terminal, etc.) of the transistor is directly connected to a part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。   For example, “X and Y, and the source (or the first terminal or the like) and the drain (or the second terminal or the like) of the transistor are electrically connected to each other. The drain of the transistor (or the second terminal, etc.) and the Y are electrically connected in this order. ” Or “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X, the drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y, and X or the source ( Or the first terminal or the like, the drain of the transistor (or the second terminal, or the like) and Y are electrically connected in this order. Or “X is electrically connected to Y through the source (or the first terminal) and the drain (or the second terminal) of the transistor, and X is the source of the transistor (or the first terminal). Terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. By using the same expression method as in these examples and defining the order of connection in the circuit configuration, the source (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor are separated. Apart from that, the technical scope can be determined.

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)からトランジスタのドレイン(又は第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)からトランジスタのソース(又は第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。   Alternatively, as another expression method, for example, “a source (or a first terminal or the like of a transistor) is electrically connected to X through at least a first connection path, and the first connection path is The second connection path does not have a second connection path, and the second connection path includes a transistor source (or first terminal or the like) and a transistor drain (or second terminal or the like) through the transistor. The first connection path is a path through Z1, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y through at least the third connection path. The third connection path is connected and does not have the second connection path, and the third connection path is a path through Z2. " Or, “the source (or the first terminal or the like) of the transistor is electrically connected to X via Z1 by at least a first connection path, and the first connection path is a second connection path. The second connection path has a connection path through the transistor, and the drain (or the second terminal, etc.) of the transistor is at least connected to Z2 by the third connection path. , Y, and the third connection path does not have the second connection path. Or “the source of the transistor (or the first terminal or the like) is electrically connected to X through Z1 by at least a first electrical path, and the first electrical path is a second electrical path Does not have an electrical path, and the second electrical path is an electrical path from the source (or first terminal or the like) of the transistor to the drain (or second terminal or the like) of the transistor; The drain (or the second terminal or the like) of the transistor is electrically connected to Y through Z2 by at least a third electrical path, and the third electrical path is a fourth electrical path. The fourth electrical path is an electrical path from the drain (or second terminal or the like) of the transistor to the source (or first terminal or the like) of the transistor. can do. Using the same expression method as those examples, by defining the connection path in the circuit configuration, the source (or the first terminal or the like) of the transistor and the drain (or the second terminal or the like) are distinguished. The technical scope can be determined.

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2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。   In addition, these expression methods are examples, and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1, and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, and the like).

C70 容量
C71 容量
M70 トランジスタ
M71 トランジスタ
M72 トランジスタ
M73 トランジスタ
5 半導体装置
10 回路
20 回路
50 アンテナ
51 電源回路
52 アナログ回路
53 メモリ
54 論理回路
55 電力制御回路
59 バッテリ
60 RFデバイス
66 光電変換素子
61 表示部
70 表示装置
71 回路基板
72 バッテリ
73 太陽電池
74 表示部
75 支持体
100 半導体装置
101 サンプルホールド回路
101A サンプルホールド回路
101B サンプルホールド回路
102 回路
103 逐次比較レジスタ
104 デジタルアナログ変換回路
105 タイミングコントローラ
106 発振回路
111 バッファ回路
112 トランジスタ
113 容量素子
116 容量素子
117 トランジスタ
119 トランジスタ
120 インバータ
121 センサ回路
121A センサ回路
121B センサ回路
122 セレクタ
131 サンプルホールド回路
131A サンプルホールド回路
131B サンプルホールド回路
131C サンプルホールド回路
135 トランジスタ
136 トランジスタ
137 トランジスタ
141 トランジスタ
153 トランジスタ
154 トランジスタ
166 トランジスタ
167 抵抗素子
171 トランジスタ
172 インバータ回路
173 トランジスタ
174 バイアス電圧生成回路
176 トランジスタ
181 トランジスタ
183 トランジスタ
188 トランジスタ
189 抵抗素子
190 容量素子
193 容量素子
194 セレクタ
195 セレクタ
196 セレクタ
197 トランジスタ
198 インバータ回路
211 トランジスタ
212 容量素子
216 容量素子
217 トランジスタ
221 レジスタ
222 レジスタ
230 ロジック部
231 斜線部
241 入力端子
242 入力端子
251 出力端子
260 FET層
261 FET層
270 基板
271 ウェル
272 チャネル形成領域
273 低濃度不純物領域
274 高濃度不純物領域
275 導電性領域
276 ゲート絶縁膜
277 ゲート電極
278 サイドウォール絶縁膜
279 サイドウォール絶縁膜
280 導電層
281 導電層
282 導電層
291 絶縁層
293 絶縁層
360 コントロール・ユニット
361 ロー・デコーダー回路
362 ロー・ドライバ回路
363 カラム・ドライバ回路
364 ADコンバータ
370 メモリセルアレイ
372 メモリセルアレイ
373 メモリ回路
380 メモリセル
400 無線センサ
401 アンテナ
402 集積回路部
403 整流回路
404 復調回路
405 変調回路
406 定電圧回路
407 制御回路
408 発振回路
409 メモリ回路
409_A メモリ回路
410 インターフェース
411 ADコンバータ
412 センサ回路
600 トランジスタ
601 パルス電圧出力回路
602 電流検知回路
611 容量
612 配線
613 配線
640 基板
651 絶縁膜
651a 絶縁膜
651b 絶縁膜
652 絶縁膜
653 絶縁膜
654 絶縁膜
655 絶縁膜
656 絶縁膜
660 半導体
661 半導体
662 半導体
663 半導体
671 導電膜
671a 導電膜
671b 導電膜
672 導電膜
672a 導電膜
672b 導電膜
673 導電膜
674 導電膜
680 トランジスタ
681 絶縁膜
682 半導体
683 導電膜
684 導電膜
685 絶縁膜
686 絶縁膜
687 絶縁膜
688 導電膜
689 導電膜
701 筐体
702 筐体
703a 表示部
703b 表示部
704 選択ボタン
705 キーボード
711 筐体
712 筐体
713 表示部
714 表示部
715 軸部
716 電源スイッチ
717 操作キー
718 スピーカー
721 筐体
722 表示部
723 スピーカー
724 マイク
725 操作ボタン
731 筐体
732 表示部
800 無線センサ
801 アンテナ
802 集積回路部
803 回路
804 端子部
805 センサ回路
832 配線
833 表示部
1100 層
1200 層
1300 層
1400 層
1500 絶縁層
1510 遮光層
1520 有機樹脂層
1540 マイクロレンズアレイ
1550 光学変換層
1600 支持基板
C70 capacitance C71 capacitance M70 transistor M71 transistor M72 transistor M73 transistor 5 semiconductor device 10 circuit 20 circuit 50 antenna 51 power supply circuit 52 analog circuit 53 memory 54 logic circuit 55 power control circuit 59 battery 60 RF device 66 photoelectric conversion element 61 display unit 70 display Device 71 Circuit board 72 Battery 73 Solar cell 74 Display unit 75 Support device 100 Semiconductor device 101 Sample hold circuit 101A Sample hold circuit 101B Sample hold circuit 102 Circuit 103 Successive comparison register 104 Digital analog conversion circuit 105 Timing controller 106 Oscillation circuit 111 Buffer circuit 112 Transistor 113 Capacitor 116 Capacitor 117 Transistor 119 Transistor 120 Inverter 21 sensor circuit 121A sensor circuit 121B sensor circuit 122 selector 131 sample hold circuit 131A sample hold circuit 131B sample hold circuit 131C sample hold circuit 135 transistor 136 transistor 137 transistor 141 transistor 153 transistor 154 transistor 166 transistor 167 resistance element 171 transistor 172 inverter circuit 173 Transistor 174 Bias voltage generation circuit 176 Transistor 181 Transistor 183 Transistor 188 Transistor 189 Resistance element 190 Capacitance element 193 Capacitance element 194 Selector 195 Selector 196 Selector 197 Transistor 198 Inverter circuit 211 Transistor 212 Capacitance element 216 Capacitance element 217 Transistor 221 Register 222 Register 230 Logic portion 231 Shaded portion 241 Input terminal 242 Input terminal 251 Output terminal 260 FET layer 261 FET layer 270 Substrate 271 Well 272 Channel formation region 273 Low concentration impurity region 274 High concentration impurity region 275 Conductive region 276 Gate Insulating film 277 Gate electrode 278 Side wall insulating film 279 Side wall insulating film 280 Conductive layer 281 Conductive layer 282 Conductive layer 291 Insulating layer 293 Insulating layer 360 Control unit 361 Row decoder circuit 362 Row driver circuit 363 Column driver circuit 364 AD converter 370 Memory cell array 372 Memory cell array 373 Memory circuit 380 Memory cell 400 Wireless sensor 401 Antenna 402 Integrated circuit unit 403 Current circuit 404 Demodulation circuit 405 Modulation circuit 406 Constant voltage circuit 407 Control circuit 408 Oscillation circuit 409 Memory circuit 409_A Memory circuit 410 Interface 411 AD converter 412 Sensor circuit 600 Transistor 601 Pulse voltage output circuit 602 Current detection circuit 611 Capacitance 612 Wiring 613 Wiring 640 Substrate 651 insulating film 651a insulating film 651b insulating film 652 insulating film 653 insulating film 654 insulating film 655 insulating film 656 insulating film 660 semiconductor 661 semiconductor 662 semiconductor 663 semiconductor 671 conductive film 671a conductive film 671b conductive film 672 conductive film 672a conductive film 672b conductive Film 673 conductive film 674 conductive film 680 transistor 681 insulating film 682 semiconductor 683 conductive film 684 conductive film 685 insulating film 686 insulating film 687 insulating film 688 conductive Film 689 Conductive film 701 Case 702 Case 703a Display portion 703b Display portion 704 Selection button 705 Keyboard 711 Case 712 Case 713 Display portion 714 Display portion 715 Shaft portion 716 Power switch 717 Operation key 718 Speaker 721 Case 722 Display portion 723 Speaker 724 Microphone 725 Operation button 731 Case 732 Display unit 800 Wireless sensor 801 Antenna 802 Integrated circuit unit 803 Circuit 804 Terminal unit 805 Sensor circuit 832 Wiring 833 Display unit 1100 Layer 1200 Layer 1300 Layer 1400 Layer 1500 Insulating layer 1510 Light shielding layer 1520 Organic resin layer 1540 Microlens array 1550 Optical conversion layer 1600 Support substrate

Claims (15)

サンプルホールド回路と、第1の回路と、を有し、
前記第1の回路は、増幅器を有し、
前記サンプルホールド回路は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、
前記第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下であり、
前記第2の容量素子の容量は、前記第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、
前記第1の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の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタは、オフすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持する機能を有し、
前記バッファ回路は、前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に前記電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置。
A sample-and-hold circuit and a first circuit;
The first circuit includes an amplifier;
The sample and hold circuit includes a buffer circuit, a first transistor, a second transistor, a first capacitor element, and a second capacitor element,
The channel length of the first transistor is 1 nm or more and 500 nm or less,
The first transistor includes an oxide semiconductor;
The gate capacitance of the first transistor is 0.1 μF · cm −2 or more and 1 μF · cm −2 or less,
The capacitance of the second capacitive element is not less than 0.3 times and not more than 0.7 times the gate capacitance of the first transistor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the first capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the second capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor;
The first transistor has a function of holding electric charge in one of a source and a drain of the first transistor by being turned off,
The buffer circuit is a semiconductor device having a function of stopping supply of a power supply voltage after holding the charge in one of a source and a drain of the first transistor.
サンプルホールド回路と、第1の回路と、を有し、
前記第1の回路は、コンパレータを有し、
前記サンプルホールド回路は、バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、
前記第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下であり、
前記第2の容量素子の容量は、前記第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、
前記第1の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の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタは、オフすることにより第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に電荷を保持する機能を有し、
前記バッファ回路は、前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に前記電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置。
A sample-and-hold circuit and a first circuit;
The first circuit has a comparator;
The sample and hold circuit includes a buffer circuit, a first transistor, a second transistor, a first capacitor element, and a second capacitor element,
The channel length of the first transistor is 1 nm or more and 500 nm or less,
The first transistor includes an oxide semiconductor;
The gate capacitance of the first transistor is 0.1 μF · cm −2 or more and 1 μF · cm −2 or less,
The capacitance of the second capacitive element is not less than 0.3 times and not more than 0.7 times the gate capacitance of the first transistor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the first capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the second capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor;
The first transistor has a function of holding electric charge in one of a source and a drain of the first transistor by being turned off,
The buffer circuit is a semiconductor device having a function of stopping supply of a power supply voltage after holding the charge in one of a source and a drain of the first transistor.
請求項1または請求項2において、
前記第1の回路は第3のトランジスタを有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第3のトランジスタのゲートと電気的に接続される半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The first circuit includes a third transistor;
One of the source and the drain of the first transistor is a semiconductor device electrically connected to the gate of the third transistor.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記バッファ回路からの出力は、前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に入力され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持される前記電荷に応じた信号は、前記第1の回路に入力される半導体装置。
In any one of Claim 1 thru | or 3,
The output from the buffer circuit is input to the other of the source and the drain of the first transistor,
A semiconductor device in which a signal corresponding to the charge held in one of a source and a drain of the first transistor is input to the first circuit.
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、
デジタルアナログ変換回路を有し、
前記第1の回路には、前記デジタルアナログ変換回路が接続される半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
It has a digital / analog conversion circuit,
A semiconductor device to which the digital-analog converter circuit is connected to the first circuit.
請求項5において、
逐次比較レジスタとタイミングコントローラを有する半導体装置。
In claim 5,
A semiconductor device having a successive approximation register and a timing controller.
バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、
前記第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第1の電位が与えられ、
前記第2のトランジスタは、オンすることにより前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に前記第1の電位に応じた第1の電荷を与えた後、オフすることにより、前記第1の電荷を保持する機能を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第2の電位が与えられ、
前記第1のトランジスタは、オンすることにより前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第2の電位に応じた第2の電荷を与えた後、オフすることにより、前記第2の電荷を保持する機能を有し、
前記バッファ回路は、前記第2の電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置。
A buffer circuit, a first transistor, a second transistor, and a capacitor;
The channel length of the first transistor is 1 nm or more and 500 nm or less,
The first transistor includes an oxide semiconductor;
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor;
A first potential is applied to the other of the source and the drain of the second transistor;
The second transistor is turned on to give a first charge corresponding to the first potential to one of the source and drain of the first transistor, and then turned off to turn on the first charge. Has the function of holding
A second potential is applied to the other of the source and the drain of the first transistor;
The first transistor is turned on to give a second charge corresponding to a second potential to one of the source or drain of the first transistor, and then turned off to give the second charge. Has the function to hold,
The buffer circuit is a semiconductor device having a function of stopping supply of power supply voltage after holding the second charge.
バッファ回路と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのチャネル長は1nm以上500nm以下であり、
前記第1のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記第2の容量素子の容量は、前記第1のトランジスタのゲート容量の0.3倍以上0.7倍以下であり、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第1の電位が与えられ、
前記第2のトランジスタは、オンすることにより前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に前記第1の電位に応じた第1の電荷を与えた後、オフすることにより、前記第1の電荷を保持する機能を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に第2の電位が与えられ、
前記第1のトランジスタのゲートに第3の電位を与えることにより前記第1のトランジスタをオンし、
前記第2の容量素子の他方の電極に、第4の電位が与えられ、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に第2の電位に応じた第2の電荷が与えられ、
前記第1のトランジスタは、オフすることにより、前記第2の電荷を保持する機能を有し、
前記バッファ回路は、前記第2の電荷を保持した後に、電源電圧の供給が停止される機能を有する半導体装置。
A buffer circuit, a first transistor, a second transistor, a capacitor, and a second capacitor;
The channel length of the first transistor is 1 nm or more and 500 nm or less,
The first transistor includes an oxide semiconductor;
The capacitance of the second capacitive element is not less than 0.3 times and not more than 0.7 times the gate capacitance of the first transistor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the capacitor,
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the second transistor;
One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the second capacitor,
A first potential is applied to the other of the source and the drain of the second transistor;
The second transistor is turned on to give a first charge corresponding to the first potential to one of the source and drain of the first transistor, and then turned off to turn on the first charge. Has the function of holding
A second potential is applied to the other of the source and the drain of the first transistor;
Turning on the first transistor by applying a third potential to the gate of the first transistor;
A fourth potential is applied to the other electrode of the second capacitor;
A second charge corresponding to a second potential is applied to one of a source and a drain of the first transistor;
The first transistor has a function of holding the second charge by being turned off,
The buffer circuit is a semiconductor device having a function of stopping supply of power supply voltage after holding the second charge.
請求項7または請求項8において、
前記第1の電位と、前記第2の電位の差は、0.1Vより大きく4Vより小さい半導体装置。
In claim 7 or claim 8,
A semiconductor device in which a difference between the first potential and the second potential is greater than 0.1V and less than 4V.
請求項7乃至請求項9のいずれか一において、
前記第2の電位に対する前記第3の電位の電位差は、
前記第2の電位に対する前記第4の電位の電位差と極性が異なる半導体装置。
In any one of Claims 7 to 9,
The potential difference of the third potential with respect to the second potential is:
A semiconductor device having a polarity different from that of the fourth potential with respect to the second potential.
請求項7乃至請求項10のいずれか一において、
前記第1のトランジスタのゲート容量は、0.1μF・cm−2以上1μF・cm−2以下である半導体装置。
In any one of Claims 7 to 10,
A semiconductor device in which a gate capacitance of the first transistor is 0.1 μF · cm −2 to 1 μF · cm −2 .
請求項7乃至請求項11のいずれか一において、
前記バッファ回路からの出力は、前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方に入力され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方に保持される前記電荷に応じた信号は、前記第1の回路に入力される半導体装置。
In any one of Claims 7 to 11,
The output from the buffer circuit is input to the other of the source and the drain of the first transistor,
A semiconductor device in which a signal corresponding to the charge held in one of a source and a drain of the first transistor is input to the first circuit.
請求項7乃至請求項12のいずれか一において、
デジタルアナログ変換回路を有する半導体装置。
In any one of Claims 7 to 12,
A semiconductor device having a digital-analog conversion circuit.
請求項13において、
逐次比較レジスタとタイミングコントローラを有する半導体装置。
In claim 13,
A semiconductor device having a successive approximation register and a timing controller.
請求項1乃至請求項14のいずれか一に記載の半導体装置と、
表示部と、を有する電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 14,
And an electronic device.
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