。可以对第一 栅极输入控制信号WE并对第二栅极输入控制信号WE2。控制信号WE2可以是具有固定电位 的信号。该固定电位例如可以选自接地电位GND和低于晶体管709的源电位的电位等。控 制信号WE2为具有用来控制晶体管709的阈值电压的电位的信号，能够进一步降低晶体管 709 的 Icut。
[0266] 在图9所示的用于存储元件700的晶体管中，晶体管709以外的晶体管也可以使 用其沟道形成在由氧化物半导体以外的半导体构成的层或衬底1190中的晶体管。例如，可 以使用其沟道形成在硅层或硅衬底中的晶体管。或者，也可以作为用于存储元件700的所 有的晶体管使用其沟道形成在氧化物半导体层中的晶体管。或者，存储元件700也可以包 括晶体管709以外的其沟道形成在氧化物半导体层中的晶体管，并且作为剩下的晶体管使 用其沟道形成在由氧化物半导体以外的半导体构成的层或衬底1190中的晶体管。
[0267] 图9所示的电路701例如可以使用触发器电路。另外，逻辑元件706例如可以使 用反相器或时钟反相器等。
[0268] 在本发明的一个实施方式的半导体装置中，在不对存储元件700供应电源电压的 期间，可以由设置在电路702中的电容器708保持储存在电路701中的数据。
[0269] 另外，其沟道形成在氧化物半导体层中的晶体管的关态电流极小。例如，其沟道形 成在氧化物半导体层中的晶体管的关态电流比其沟道形成在具有结晶性的硅中的晶体管 的关态电流小得多。因此，通过将这种包含氧化物半导体的晶体管用作晶体管709,即使在 不对存储元件700供应电源电压的期间中也可以长期间地保持电容器708中的信号。因此， 存储元件700在停止供应电源电压的期间也可以保持存储内容（数据）。
[0270] 另外，存储元件700能够通过设置开关703及开关704来进行预充电工作，因此可 以缩短在再次开始供应电源电压之后直到电路701保持原来的数据为止的时间。
[0271] 另外，在电路702中，由电容器708保持的信号被输入到晶体管710的栅极。因此， 在再次开始对存储元件700供应电源电压之后，可以将由电容器708保持的信号转换为晶 体管710的状态（导通状态或关闭状态），并从电路702读出。因此，即使在对应于保持在 电容器708中的信号的电位有些变动的情况下，也可以准确地读出原来的信号。
[0272] 通过将这种存储元件700用于处理器所具有的寄存器或高速缓冲存储器等存储 装置，可以防止存储装置内的数据因停止电源电压的供应而消失。另外，可以在再次开始供 应电源电压之后在短时间内恢复到停止供应电源之前的状态。因此，在处理器整体或构成 处理器的一个或多个逻辑电路中在短时间内也可以停止供应电源而抑制功耗。
[0273] 在本实施方式中，虽然说明了将存储元件700用于CPU的例子，但是也可以将 存储元件700应用于DSP (Digital Signal Processor:数字信号处理器）、定制LSI、 PLD(Programmable Logic Device:可编程逻辑器件）等 LSI、RF_ID(Radio Frequency Identification :射频识别）。
[0274] 本实施方式可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合。
[0275] 实施方式7
[0276] 在本实施方式中，说明使用实施方式1或2例示的晶体管且具有读取对象物的数 据的图像传感器功能的半导体装置。
[0277] 图10示出具有图像传感器功能的半导体装置的等效电路一个例子。
[0278] 光电二极管602的一个电极电连接到光电二极管复位信号线658,而光电二极管 602的另一个电极电连接到晶体管640的栅极。晶体管640的源极和漏极中的一个电连接 到光电传感器基准信号线672,而晶体管640的源极和漏极中的另一个电连接到晶体管656 的源极和漏极中的一个。晶体管656的栅极电连接到栅极信号线659,晶体管656的源极和 漏极中的另一个电连接到光电传感器输出信号线671。
[0279] 作为光电二极管602,例如可以应用PIN型光电二极管，其中层叠有ρ型半导体层、 高电阻（i型）半导体层以及η型半导体层。
[0280] 通过检测入射到光电二极管602的光，可以读取对象物的数据。另外，在读取对象 物的数据时，可以使用背光源等的光源。
[0281] 另外，作为晶体管640及晶体管656,可以应用实施方式1或2例示的其沟道形成 在氧化物半导体中的晶体管。在图10中，为了能够明确地知道晶体管640及晶体管656包 括氧化物半导体，在晶体管旁边记载"0S"。
[0282] 晶体管640及晶体管656是在上述实施方式中例示的晶体管，其中以包含含有过 剩的氧的氧化铝膜的绝缘层包围形成其沟道的氧化物半导体层。另外，优选采用以栅电极 层电性包围氧化物半导体层的结构。因此，晶体管640及晶体管656是电特性的变动得到 抑制而在电性上稳定的晶体管。通过包括该晶体管，可以使图10所示的具有图像传感器功 能的半导体装置得到高可靠性。
[0283] 本实施方式可以与本说明书所示的其他实施方式适当地组合。
[0284] 实施方式8
[0285] 在本实施方式中，说明可以使用在上述实施方式中说明的晶体管、存储装置或CPU 等（包括DSP、定制LSI、PLD以及RF-ID)的电子设备的例子。
[0286] 在上述实施方式中说明的晶体管、存储装置或CPU等可以应用于各种电子设备 (包括游戏机）。作为电子设备，可以举出电视机、显示器等显示装置、照明装置、个人计算 机、文字处理机、图像再现装置、便携式音频播放器、收音机、磁带录音机、音响、电话机、无 绳电话子机、移动电话机、车载电话、步话机、无线设备、游戏机、计算器、便携式信息终端、 电子笔记本、电子书阅读器、电子翻译器、声音输入器、摄像机、数字静态照相机、电动剃须 刀、1C芯片、微波炉等高频加热装置、电饭煲、洗衣机、吸尘器、空调器等空调设备、洗碗机、 烘碗机、干衣机、烘被机、电冰箱、电冷冻箱、电冷藏冷冻箱、DNA保存用冰冻器、辐射计数器 (radiation counters)、透析装置、X射线诊断装置等医疗设备等。另外，也可以举出感烟探 测器、感热探测器、气体警报装置、防盗警报装置等警报装置。再者，还可以举出工业设备诸 如引导灯、信号机、传送带、电梯、自动扶梯、工业机器人、蓄电系统等。另外，通过使用燃料 的发动机或使用来自非水类二次电池的电力的电动机而推进的移动体等也包括在电子设 备的范畴内。作为上述移动体，例如可以举出电动汽车（EV)、兼具内燃机和电动机的混合动 力汽车（HEV)、插电式混合动力汽车（PHEV)、使用履带代替上述汽车的车轮的履带式车辆、 包括电动辅助自行车的机动自行车、摩托车、电动轮椅、高尔夫球车、小型或大型船舶、潜水 艇、直升机、飞机、火箭、人造卫星、太空探测器、行星探测器、宇宙飞船。图12A至12C示出 这些电子设备的具体例子。
[0287] 在图12A所示的电视装置8000中，框体8001组装有显示部8002,利用显示部8002 可以显示影像，并且从扬声器部8003可以输出声音。可以将上述实施方式所例示的晶体管 用于用来使安装于框体8001的显示部8002工作的驱动电路或像素。
[0288] 作为显示部8002,可以使用半导体显示装置诸如液晶显示装置、在每个像素中 具备有机EL元件等发光元件的发光装置、电泳显示装置、DMD(数字微镜装置：Digital Micromirror Device)及]等离子体显不面板：Plasma Display Panel)等。
[0289] 电视装置8000也可以具备接收机及调制解调器等。电视装置8000可以通过利用 接收机，接收一般的电视广播。再者，通过调制解调器连接到有线或无线方式的通信网络， 也可以进行单向（从发送者到接收者）或双向（发送者和接收者之间或接收者之间等）的 数据通信。
[0290] 此外，电视装置8000也可以具备用来进行信息通信的CPU8004、存储器等。通过 作为CPU8004或存储器使用上述实施方式所示的晶体管、存储装置或CPU，可以实现低功耗 化。
[0291] 图12A所示的警报装置8100是住宅用火灾警报器，其包括感烟或感热检测部8102 和微型计算机8101。微型计算机8101包括在上述实施方式中示出的晶体管、存储装置或 CPU。
[0292] 另外，图12A所示的包括室内机8200和室外机8204的空调器是包括在上述实施 方式中示出的晶体管、存储装置或CPU等的电子设备的一个例子。具体而言，室内机8200 具有框体8201、送风口 8202、CPU8203等。在图12A中，例示出CPU8203设置在室内机8200 中的情况，但是CPU8203也可以设置在室外机8204中。或者，在室内机8200和室外机8204 的双方中设置有CPU8203。通过将在上述实施方式中示出的晶体管用于空调器的CPU，可以 实现低功耗化。
[0293] 另外，图12A所示的电冷藏冷冻箱8300是包括在上述实施方式中示出的晶体管、 存储装置或CPU等的电子设备的一个例子。具体而言，电冷藏冷冻箱8300包括框体8301、 冷藏室门8302、冷冻室门8303及CPU8304等。在图12A中，CPU8304设置在框体8301的内 部。通过将在上述实施方式中示出的晶体管用于电冷藏冷冻箱8300的CPU8304,可以实现 低功耗化。
[0294] 图12B和图12C例示出电子设备的一个例子的电动汽车。电动汽车9700安装有 二次电池9701。由电路9702调整二次电池9701的电力的输出，而该电力被供应到驱动装 置9703。电路9702由具有未图示的ROM、RAM、CPU等的处理装置9704控制。通过将在上 述实施方式中示出的晶体管用于电动汽车9700的CPU，可以实现低功耗化。
[0295] 驱动装置9703包括直流电动机或交流电动机，或者将电动机和内燃机组合而构 成。处理装置9704根据电动汽车9700的驾驶员的操作数据（加速、减速、停止等）、行车数 据（爬坡、下坡等数据，或者车轮所受到的负荷数据等）等的输入数据，向电路9702输出控 制信号。电路9702根据处理装置9704的控制信号而调整从二次电池9701供应的电能以 控制驱动装置9703的输出。当安装交流电动机时，虽然未图示，但是还安装有将直流转换 为交流的逆变器。
[0296] 本实施方式可以与本说明书所示的其他实施方式适当地组合。
[0297] 符号说明
[0298] 200 :衬底202 :栅电极层204 :绝缘层205 :绝缘层205a :绝缘膜206 :绝缘 层207:氧化物层208:氧化物半导体层209:氧化物层210a:源电极层210b:漏电极层 212:绝缘层214:绝缘层214a:绝缘膜216:栅电极层260 :晶体管270 :晶体管280:晶 体管602 :光电二极管640 :晶体管656 :晶体管658 :光电二极管复位信号线659 :栅极 信号线671:光电传感器输出信号线672:光电传感器基准信号线700:存储元件701:电 路702:电路703:开关704:开关706:逻辑元件707:电容器708:电容器709 :晶体管 710 :晶体管713 :晶体管714 :晶体管720:电路1189 :R0M接口 1190:衬底1191 :ALU 1192 :ALU控制器1193:指令解码器1194:中断控制器1195:时序控制器1196:寄存 器1197:寄存器控制器1198:总线接口 1199 :ROM 2200 :晶体管3001:布线3002:布线 3003:布线3004:布线3005:布线3200 :晶体管3300 :晶体管3400:电容器8000:电视 装置8001 :框体8002 :显示部8003 :扬声器部8004 :CPU 8100 :警报装置8101 :微型计 算机8102:检测部8200:室内机8201:框体8203 :CPU 8204:室外机8300:电冷藏冷冻 箱8301 :框体8302 :冷藏室门8303 :冷冻室门8304 :CPU 9700 :电动汽车9701 :二次电 池9702 :电路9703 :驱动装置9704 :处理装置
[0299] 本申请基于2013年5月20日提交到日本专利局的日本专利申请 No. 2013-106331，通过引用将其完整内容并入在此。
【主权项】
1. 一种半导体装置，包括： 第一栅电极层； 在所述第一栅电极层上并与其接触的第一栅极绝缘层； 隔着所述第一栅极绝缘层与所述第一栅电极层重叠的氧化物半导体层； 与所述氧化物半导体层电连接的源电极层及漏电极层； 所述源电极层及所述漏电极层上的第二栅极绝缘层； 隔着所述第二栅极绝缘层与所述氧化物半导体层重叠的第二栅电极层；以及 覆盖所述源电极层、所述漏电极层及所述第二栅电极层的保护绝缘层， 其中，所述第一栅极绝缘层及所述保护绝缘层都包括氧化铝膜， 并且，所述第一栅极绝缘层与所述保护绝缘层在所述源电极层、所述漏电极层及所述 第二栅电极层不存在的区域中彼此接触。2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中，在沟道宽度方向上的截面中，所述第二栅 电极层隔着所述第二栅极绝缘层覆盖所述氧化物半导体层的侧面及顶面。3. 根据权利要求1所述的半导体装置，还包括： 在所述第一栅极绝缘层与所述氧化物半导体层之间且包含所述氧化物半导体层所包 含的金属元素中的至少一个作为构成元素的第一氧化物层；以及 在所述第二栅极绝缘层与所述氧化物半导体层之间且包含所述氧化物半导体层所包 含的金属元素中的至少一个作为构成元素的第二氧化物层， 其中，所述氧化物半导体层的导带底的能量比所述第一氧化物层及所述第二氧化物层 的导带底的能量更接近真空能级〇. 〇5eV以上且2eV以下。4. 根据权利要求3所述的半导体装置，其中以覆盖没有被所述源电极层及所述漏电极 层覆盖的所述氧化物半导体层的方式在所述源电极层及所述漏电极层上设置所述第二氧 化物层。5. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧化铝膜包含过剩的氧。6. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述半导体装置被安装在选自电视装置、 警报装置、空调器、冰箱及电动汽车中的一个。7. -种半导体装置，包括： 第一绝缘层； 被埋入所述第一绝缘层中且露出顶面的第一栅电极层； 在所述第一绝缘层及所述第一栅电极层上并与其接触的第一栅极绝缘层； 隔着所述第一栅极绝缘层与所述第一栅电极层重叠的氧化物半导体层； 与所述氧化物半导体层电连接的源电极层及漏电极层； 所述源电极层及所述漏电极层上的第二栅极绝缘层； 隔着所述第二栅极绝缘层与所述氧化物半导体层重叠的第二栅电极层；以及 覆盖所述源电极层、所述漏电极层及所述第二栅电极层的保护绝缘层， 其中，所述第一栅极绝缘层及所述保护绝缘层都包括氧化铝膜， 并且，所述第一栅极绝缘层与所述保护绝缘层在所述源电极层、所述漏电极层及所述 第二栅电极层不存在的区域中彼此接触。8. 根据权利要求7所述的半导体装置，其中，在沟道宽度方向上的截面中，所述第二栅 电极层隔着所述第二栅极绝缘层覆盖所述氧化物半导体层的侧面及顶面。9. 根据权利要求7所述的半导体装置，还包括： 在所述第一栅极绝缘层与所述氧化物半导体层之间且包含所述氧化物半导体层所包 含的金属元素中的至少一个作为构成元素的第一氧化物层；以及 在所述第二栅极绝缘层与所述氧化物半导体层之间且包含所述氧化物半导体层所包 含的金属元素中的至少一个作为构成元素的第二氧化物层， 其中，所述氧化物半导体层的导带底的能量比所述第一氧化物层及所述第二氧化物层 的导带底的能量更接近真空能级〇. 〇5eV以上且2eV以下。10. 根据权利要求9所述的半导体装置，其中以覆盖没有被所述源电极层及所述漏电 极层覆盖的所述氧化物半导体层的方式在所述源电极层及所述漏电极层上设置所述第二 氧化物层。11. 根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述氧化铝膜包含过剩的氧。12. 根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述半导体装置被安装在选自电视装置、 警报装置、空调器、冰箱及电动汽车中的一个。
【专利摘要】公开了半导体装置。本发明的一个实施方式提供一种使用氧化物半导体的半导体装置，该半导体装置在维持良好的电特性的同时实现了微型化。在该半导体装置中，氧化物半导体层被包含含有过剩的氧的氧化铝膜的绝缘层包围。氧化铝膜所包含的过剩的氧通过半导体装置的制造工序中的加热处理而被供应给其中形成沟道的氧化物半导体层。并且，由于氧化铝膜具有对氧及氢的阻挡性，所以可以抑制氧从被包含氧化铝膜的绝缘层包围的氧化物半导体层脱离以及氢等杂质混入氧化物半导体层，由此可以使氧化物半导体层高纯度本征化。另外，由设置在氧化物半导体层上侧及下侧的栅电极层良好地控制阈值电压。
【IPC分类】H01L21/8238, H01L29/786, H01L21/8247, H01L27/092, H01L29/417, H01L27/108, H01L21/28, H01L29/788, H01L21/336, H01L27/115, H01L21/8242, H01L27/10, H01L29/792
【公开号】CN105264668
【申请号】CN201480026382
【发明人】山崎舜平, 须泽英臣, 冈崎丰
【申请人】株式会社半导体能源研究所
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2014年5月1日
【公告号】DE112014002485T5, US9209307, US20140339538, US20160079432, WO2014188893A1