專利名稱：非易失性鎖存電路和邏輯電路以及使用它們的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的發(fā)明涉及其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ之后也沒有被擦除的非易失性邏輯電路以及使用非易失性邏輯電路的半導(dǎo)體器件。具體來(lái)說(shuō)，本公開的發(fā)明涉及非易失性鎖存電路以及使用它們的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了ー種包括非易失性邏輯電路的集成電路；在集成電路中，邏輯電路具有“非易失性”的特性，即，邏輯電路的存儲(chǔ)器甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除。例如，提出了使用鐵電元件作為非易失性邏輯電路的非易失性鎖存電路(專利文獻(xiàn)I)。[參考文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)I] PCT國(guó)際公開No. 2003/044953。

發(fā)明內(nèi)容
但是，使用鐵電元件的非易失性鎖存電路在重寫次數(shù)的可靠性和電壓的降低方面有問題。另外，鐵電元件通過(guò)施加到元件的電場(chǎng)來(lái)極化，并且通過(guò)剩余極化強(qiáng)度來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，當(dāng)剰余極化強(qiáng)度較小時(shí)，變化的影響變大或需要高精度讀取電路。鑒于上述問題，本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供一種新的非易失性鎖存電路以及使用非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的ー個(gè)實(shí)施例為具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的鎖存電路，在該循環(huán)結(jié)構(gòu)中，第一元件的輸出電連接至第二元件的輸入并且第二元件的輸出通過(guò)第二晶體管電連接至第一元件的輸入。使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶體管用作開關(guān)元件，并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，由此鎖存電路的數(shù)據(jù)能被保存，并且因此能形成非易失性鎖存電路。使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管允許保存數(shù)據(jù)寫入電容器。電容器電連接至鎖存電路的循環(huán)結(jié)構(gòu)中的預(yù)定的位置。因此，非易失性鎖存電路具有這樣的配置，即，對(duì)應(yīng)鎖存電路的數(shù)據(jù)的電荷在電容器中自動(dòng)地積聚，從而執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。換言之，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為鎖存電路，其中各使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管以及第ニ晶體管用作開關(guān)元件，并且其包括電連接至第一晶體管的源電極和漏電極之ー以及第ニ晶體管的源電極和漏電極之ー的電容器。鎖存電路具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件的輸出電連接至第二元件的輸入并且第二元件的輸出通過(guò)第ニ晶體管電連接至第一元件的輸入。第一元件的輸入電連接至通過(guò)第一晶體管施加有輸入信號(hào)的布線。第一元件的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線。即在施加有輸入信號(hào)的布線和第一元件的輸入之間設(shè)置第一晶體管，并且在第二元件的輸出和第一元件的輸入之間設(shè)置第二晶體管。在上述結(jié)構(gòu)中，電容器的一個(gè)電極電連接至第二晶體管的源電極和漏電極之ー以及第一元件的輸入。電容器的一個(gè)電極還電連接至第一晶體管的源電極和漏電極之一。第ニ晶體管的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第二元件的輸出。第一晶體管的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線。在上述結(jié)構(gòu)中，第一元件至少包括第三晶體管。第三晶體管的柵極電連接至第一元件的輸入，并且第三晶體管的柵極電連接至第二晶體管的源電極和漏電極之一。另外，第三晶體管的柵極電連接至第一晶體管的源電極和漏電極之一。在上述結(jié)構(gòu)中，第二晶體管和第一元件的輸入之間的電容器能用作用于保存鎖存電路的數(shù)據(jù)的電容器。第三晶體管的柵極電容也能用作用于保存鎖存電路的數(shù)據(jù)的電容器。另外，除了包括在第一元件中的第三晶體管之外的晶體管的柵極電容能用作用于保存鎖存電路的數(shù)據(jù)的電容器。能組合使用上述電容。也可能僅僅使用第三晶體管的柵極電容而不使用其它的電容。
在上述結(jié)構(gòu)中，第一晶體管和第二晶體管各具有保存寫入至電容器的數(shù)據(jù)的功能。電容器電連接至鎖存電路的循環(huán)結(jié)構(gòu)中的預(yù)定的位置。因此，非易失性鎖存電路具有這樣的配置，即對(duì)應(yīng)于鎖存電路的數(shù)據(jù)的電荷在電容器中自動(dòng)地積聚，從而執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。在上述結(jié)構(gòu)中，作為第一元件和第二元件，有可能使用輸入信號(hào)的反相信號(hào)從其中輸出的元件。例如，反相器、NAND、N0R或拍頻反相器能用作第一元件和第二元件。例如，反相器能用作第一元件和第二反相器的每ー個(gè)。例如，也可能使用NAND作為第一元件以及使用拍頻反相器作為第二元件。在上述結(jié)構(gòu)中，作為用于第一晶體管和第二晶體管的每ー個(gè)的溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層，能采用下面的氧化物半導(dǎo)體作為四金屬元素氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為三金屬元素氧化物的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體或Sn-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為ニ金屬元素氧化物的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Zn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體或In-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體；或In-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體。此外，上述氧化物半導(dǎo)體材料可包含SiO2。在上述結(jié)構(gòu)中，例如，In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體表示至少包含In、Sn、Ga和Zn的氧化物半導(dǎo)體。對(duì)每ー種金屬元素的組成比沒有限制，并且可包含除了 In、Sn、Ga和Zn之外的金屬兀素。備選地，作為氧化物半導(dǎo)體層，能使用包含用InMO3 (ZnO)w 0 >0，并且》不是自然數(shù))來(lái)表不的材料的膜。這里,M表不從Ga、Al、Mn和Co中選擇的一種或多種金屬兀素。例如，M能為Ga、Ga和Al、Ga和Mn或Ga和Co。在上述結(jié)構(gòu)中，氧化物半導(dǎo)體層中的氫的濃度能小于或等于5X1019/cm3，優(yōu)選地小于或等于5X 1018/cm3，更優(yōu)選地小于或等于5X IO1Vcm3,并且進(jìn)一步優(yōu)選地小于或等于lX1016/cm3。此外，氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度能為小于I X IO1Vcm3，優(yōu)選地小于I X IO1Vcm3,并且更優(yōu)選地小于I X IO1Vcm30在上述結(jié)構(gòu)中，使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管可為底柵晶體管、頂柵晶體管或底接觸晶體管。底柵晶體管包括在絕緣表面之上的柵電極，在柵電極之上的柵極絕緣膜，在柵極絕緣膜之上與柵電極重疊的氧化物半導(dǎo)體層，在氧化物半導(dǎo)體層之上的源電極和漏電極，以及在源電極、漏電極和氧化物半導(dǎo)體層之上的絕緣膜。頂柵晶體管包括在絕緣表面之上的氧化物半導(dǎo)體層，在氧化物半導(dǎo)體層之上的柵極絕緣膜，在柵極絕緣膜之上與氧化物半導(dǎo)體層重疊并且作為導(dǎo)電膜起作用的柵電極，漏電極，源電極，以及在氧化物半導(dǎo)體層之上的絕緣膜。另ー個(gè)頂柵晶體管能包括在絕緣表面之上的氧化物半導(dǎo)體層，在氧化物半導(dǎo)體層之上的漏電極和源電極，在氧化物半導(dǎo)體層、漏電極和源電極之上的柵極絕緣膜，以及在柵極絕緣膜之上與氧化物半導(dǎo)體層重疊并且作為導(dǎo)電膜起作用的柵電極。底接觸晶體管包括在絕緣表面之上的柵電 極，在柵電極之上的柵極絕緣膜，在柵極絕緣膜之上的源電極和漏電極，在源電極、漏電極以及與柵電極重疊的柵極絕緣膜之上的氧化物半導(dǎo)體層，以及在源電極、漏電極以及氧化物半導(dǎo)體層之上的絕緣膜。晶體管(第一晶體管和第二晶體管)包括使用由上述的氧化物半導(dǎo)體材料制成的氧化物半導(dǎo)體層形成的溝道形成區(qū)，能具有下面的特性在室溫下的斷態(tài)電流(例如，在200C )小于或等于KT13A,并且例如,甚至在晶體管具有I X IO4 ii m的溝道寬度F和3 y m的溝道長(zhǎng)度的情況下，亞閾值擺動(dòng)(S值)為大約0. lV/dec.(柵極絕緣膜的厚度為lOOnm)。此夕卜，上述晶體管為常斷(normally-off)晶體管，其在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV(即，在n溝道晶體管的情況下閾值電壓為正值)時(shí)截止。因此，上述晶體管具有下面的特性在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV時(shí)的斷態(tài)電流(也稱為泄漏電流)，比使用硅用于溝道形成區(qū)的晶體管的斷態(tài)電流小得多。例如，上述的W = I X IO4 ii m的晶體管在室溫下具有姆I y m溝道寬度為IOaA或更小(優(yōu)選地，IaA或更小)的泄漏電流(在下文中，本說(shuō)明書中使用下面的表達(dá)“在室溫下每單位溝道寬度的泄漏電流小于或等于IOaA/ V- m (優(yōu)選地，IaA/ u m)”)。因此，在使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)的晶體管用作開關(guān)元件時(shí)，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至鎖存電路之后，電容器中積聚的電荷也能保持為被保存。即，寫入至電容器的數(shù)據(jù)能保持為被保存。 例如，有可能實(shí)現(xiàn)比DRAM的刷新時(shí)間長(zhǎng)得多的刷新時(shí)間，該DRAM使用包括由硅制成的溝道形成區(qū)的晶體管形成，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)與非易失性存儲(chǔ)器基本上一祥好的存儲(chǔ)器保存特性(數(shù)據(jù)保存性質(zhì))。此外，在重新開始供應(yīng)電源電壓至鎖存電路之后，能讀取保存在電容器中的數(shù)據(jù)。因此，邏輯狀態(tài)能夠恢復(fù)到停止供應(yīng)電源電壓之前的邏輯狀態(tài)。此外，上述晶體管具有良好的溫度特性，并且甚至在高溫時(shí)也能具有充分低的斷態(tài)電流和充分高的通態(tài)電流。例如，作為晶體管的Vg-Id特性，得到下面的數(shù)據(jù)在-25°C到150°C的范圍內(nèi)具有小的溫度相關(guān)性的通態(tài)電流、遷移率以及S值；并且在該溫度范圍內(nèi)斷態(tài)電流極小到小于或等于I X 10_13A。認(rèn)為能通過(guò)以下方式得到上述的特性針對(duì)晶體管的溝道形成區(qū)，使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度以及具有充分低的載流子濃度的氧化物半導(dǎo)體，即，本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體。也就是說(shuō)，晶體管的溝道形成區(qū)由氧化物半導(dǎo)體制成，從該氧化物半導(dǎo)體中去除了作為i型雜質(zhì)的氫，使得盡可能少地包含除了氧化物半導(dǎo)體的主成分之外的雜質(zhì)，并且該氧化物半導(dǎo)體被高度純化為本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體。注意，在本說(shuō)明書中，具有小于IX 10n/Cm3的載流子濃度的半導(dǎo)體稱為“本征”(“i型”)半導(dǎo)體，而具有IXlO1Vcm3或更大的、并且小于IXlO1Vcm3的載流子濃度的半導(dǎo)體稱為“實(shí)質(zhì)本征”(“實(shí)質(zhì)i型”)半導(dǎo)體。通過(guò)使用這樣的本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體，晶體管能具有每Iiim溝道寬度r為IOaA (IXl(T17A)/iim或更小、優(yōu)選地IaA (I X I(T18A) / y m或更小的斷態(tài)電流。如上所述，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶體管用作開關(guān)元件；因此，有可能提供這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作以及甚至在高溫時(shí)也能穩(wěn)定操作，并且甚至在切斷電カ時(shí)也沒有擦除存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)。在上述結(jié)構(gòu)中，各種邏輯電路能通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。另外，能提供使用邏輯電路的各種半導(dǎo)體器件。例如，在邏輯電路的多個(gè)塊電路之中，能停止供應(yīng)電源電壓至未使用的ー個(gè)或多個(gè)塊電路。借助于非易失性鎖存電路，塊電路的邏輯狀態(tài)甚至在停止供應(yīng)電源電壓至塊電路之后也能夠保持為被存儲(chǔ)。此外，存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)能夠在再次開始供應(yīng)電源電壓至塊電路之后來(lái)讀取。因此，邏輯狀態(tài)能恢復(fù)到在停止供應(yīng)電源電壓之前的邏輯狀態(tài)。 注意，在本說(shuō)明書等中，諸如“之上”或“之下”的術(shù)語(yǔ)不一定表示組件放置干“直接在”另ー個(gè)組件“之上”或“之下”。例如，“柵極絕緣層之上的柵電扱”的表達(dá)并不排除有組件放置在柵極絕緣層與柵電極之間的情況。此外，諸如“之上”和“之下”的術(shù)語(yǔ)僅為了便于描述而使用，并且能夠包括組件的關(guān)系是相反的情況，除非另加說(shuō)明。同樣在本說(shuō)明書等中，諸如“電極”或“布線”的術(shù)語(yǔ)并不限制這樣的組件的功能。例如，“電極”有時(shí)用作“布線”的一部分，而且反之亦然。此外，術(shù)語(yǔ)“電極”或“布線”包括以集成的方式形成多個(gè)“電扱”或“布線”的情況。例如，在使用相反極性的晶體管或在電路操作中的電流的方向被改變時(shí)，“源極”和“漏扱”的功能有時(shí)相互替換。因此，在本說(shuō)明書中，術(shù)語(yǔ)“源扱”和“漏扱”能相互替換。同樣在本說(shuō)明書等中，“電連接”的表達(dá)包括組件通過(guò)具有任意電功能的物體來(lái)連接的情況，只要電信號(hào)能在通過(guò)該物體連接的組件之間被傳送和接收，則對(duì)“具有任意電功能的物體”沒有具體的限制?！熬哂腥我怆姽δ艿奈矬w”的示例是諸如晶體管的開關(guān)元件、電阻器、電感器、電容器和具有各種功能的元件，以及電極和布線。一般而言，“SOI襯底”表示在絕緣表面之上設(shè)置了硅半導(dǎo)體層的襯底。在本說(shuō)明書等中，“ SOI襯底”在其類別中還包括在絕緣表面之上設(shè)置有由除了硅之外的材料制成的半導(dǎo)體層的襯底。也就是說(shuō)，“SOI襯底”中包含的半導(dǎo)體層并不局限于硅半導(dǎo)體層。另外，“ SOI襯底”的襯底不局限于諸如硅晶圓的半導(dǎo)體襯底，而能為諸如玻璃襯底、石英襯底、藍(lán)寶石襯底或金屬襯底的非半導(dǎo)體襯底。換言之，“ SOI襯底”在其類別中還包括設(shè)置有由半導(dǎo)體材料制成的層的導(dǎo)電襯底或絕緣襯底。此外，在本說(shuō)明書等中，“半導(dǎo)體襯底”不僅表示僅使用半導(dǎo)體材料制成的襯底，而且還表示包括半導(dǎo)體材料的所有襯底。即，在本說(shuō)明書等中，“SOI襯底”也包括在“半導(dǎo)體襯底”的類別中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷作為數(shù)據(jù)被保存，所以與通過(guò)剩余極化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況相比，能用的較小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易失性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能通過(guò)切斷未使用的塊的電力來(lái)降低。此外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或在切斷電カ時(shí)終止


在附圖中
圖I示出非易失性鎖存電路的配置的示例；
圖2A和圖2B不出非易失性鎖存電路的一部分的不例；
圖3A和圖3B分別是包括在非易失性鎖存電路中的元件的截面圖和頂視 圖4A至圖4H示出用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例；
圖5A至圖5G示出用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例；
圖6A至圖6D示出用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例；
圖7示出使用氧化物半導(dǎo)體的反相交錯(cuò)(inverted staggered)晶體管的截面結(jié)構(gòu)的示例；
圖8為沿著圖7的A-A’截面的能帶圖(示意圖)；
圖9A示出其中正電壓(匕> 0)施加至柵極(GEl)的狀態(tài)，以及圖9B示出負(fù)電壓(Ke< 0)施加至柵極(GEl)的狀態(tài)；
圖10示出在真空能級(jí)和金屬的功函數(shù)((K)之間以及在真空能級(jí)和氧化物半導(dǎo)體的電子親和カ(X)之間的關(guān)系；
圖IlA和圖IlB示出非易失性鎖存電路的配置的示例；
圖12示出非易失性鎖存電路的操作的示例；
圖13A和圖13B示出非易失性鎖存電路的操作的示例；
圖14示出非易失性鎖存電路的配置的示例；
圖15示出非易失性鎖存電路的配置的示例；
圖16A至圖16C示出非易失性鎖存電路的配置的示例；
圖17A至圖17E示出用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例；
圖18A至圖18E示出用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例；以及 圖19A至圖19F示出包括使用非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件的電子裝置的示例。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。注意，本發(fā)明并不局限于以下描述，因?yàn)閷?duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，能通過(guò)各種方式修改模式和細(xì)節(jié)，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不理解為局限于實(shí)施例的描述。注意，在使用附圖的描述中，在不同的附圖中相同的部分以相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)示。注意，為了簡(jiǎn)潔起見，在一些情況下，實(shí)施例的附圖等等中所示的各結(jié)構(gòu)的大小、層的厚度以及區(qū)域經(jīng)過(guò)放大。因此，每個(gè)結(jié)構(gòu)的比例不一定局限于在附圖中示出的比例。注意，本說(shuō)明書中諸如“第一”、“第二”以及“第三”的序數(shù)用來(lái)標(biāo)識(shí)組件，而這些術(shù)語(yǔ)并不是以數(shù)字方式來(lái)限制組件。(實(shí)施例I)
在這個(gè)實(shí)施例中，將參照?qǐng)DI、圖2A和圖2B、圖3A和3B、圖4A至圖4H、圖5A至圖5G、圖6A至圖6D、圖7、圖8、圖9A和圖9B以及圖10來(lái)描述作為本公開的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非易失性鎖存電路的配置和操作、用于制造包括在非易失性鎖存電路中的元件的配置和方法等。<非易失性鎖存電路的配置和操作>
圖I示出非易失性鎖存電路400的配置。在圖I中示出的非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(Dl) 412的輸出電連接至第二元件(D2) 413的輸入并且第二元件(D2) 413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。第一元件(Dl) 412的輸入電連接至通過(guò)第一晶體管431施加有輸入信號(hào)的布線414。第一兀件(Dl) 412的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線415。施加有輸入信號(hào)的布線414為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)被從前ー級(jí)電路輸入至非易失性鎖存電路400。施加有輸出信號(hào)的布線415為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從非易失性鎖存電路400輸出至后一級(jí)電路。在第一元件(Dl) 412具有多個(gè)輸入的情況下，輸入之一能電連接至通過(guò)第一晶體管431施加有輸入信號(hào)的布線414。在第二兀件(D2) 413具有多個(gè)輸入情況下,輸入之一能電連接至第一元件(Dl) 412的輸出。作為第一元件(Dl )412，有可能使用輸入信號(hào)的反相信號(hào)被從其中輸出的元件。例如，反相器、NAND> NOR或拍頻反相器能用作第一兀件(Dl) 412。輸入信號(hào)的反相信號(hào)被從其中輸出的元件也能用作第二元件(D2) 413。例如，反相器、NAND、N0R、或拍頻反相器能用作第二元件(D2) 413。在非易失性鎖存電路400中，各使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件。此外，非易失性鎖存電路400包括電連接至第一晶體管431和第二晶體管432的源電極或漏電極的電容器404。換言之，電容器404的一個(gè)電極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一，并且電容器404的一個(gè)電極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。第一晶體管431的源電極和漏電極的另一個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線。第二晶體管432的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第二元件的輸出。電位Vc被施加至電容器404的另ー個(gè)電極。在上述配置中，包括在非易失性鎖存電路400中的第一元件412至少包括第三晶體管421。第三晶體管421的柵極電連接至第一元件412的輸入。即，第三晶體管421的柵極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。此外，第三晶體管421的柵極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一。第一晶體管431和第二晶體管432能具有圖2A或圖2B中示出的配置來(lái)代替圖I中示出的配置。 在圖2A中示出的晶體管包括第一柵電極和第二柵電扱。第二柵電極設(shè)置成隔著形成溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層與第一柵電極相對(duì)。第一柵電極電連接至施加有信號(hào)的布線。第二柵電極電連接至施加有預(yù)定的電位的布線。例如，第二柵電極電連接至施加有負(fù)電位或接地電位(GND)的布線。在使 用圖2A中示出的晶體管的非易失性鎖存電路中，除了圖I中示出的非易失性鎖存電路的效果之外，能得到容易地控制晶體管的電特性(例如，閾值電壓)的效果。例如，在負(fù)電位施加至晶體管的第二柵電極時(shí)，能容易地使晶體管常斷(即，晶體管能在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV時(shí)截止)。在圖2B中示出的晶體管包括第一柵電極和第二柵電扱。第二柵電極設(shè)置成隔著形成溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層與第一柵電極相対。第二柵電極電連接至第一柵電扱。在使用圖2B中示出的晶體管的非易失性鎖存電路中，除了在圖I中示出的非易失性鎖存電路的效果外，能得到晶體管的電流量増加的效果。在具有圖I或圖2A以及圖2B中示出的配置的非易失性鎖存電路中，能以下面的方式執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)讀取。注意，雖然在圖I的配置上做下面的描述，但是同樣的應(yīng)用于其它的配置。如上所述，非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(Dl)412的輸出電連接至第二元件(D2) 413的輸入，并且第二元件(D2) 413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(Dl)412的輸入。電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至循環(huán)結(jié)構(gòu)中的預(yù)定位置。特別地，電容器404的一個(gè)電極和第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。以這種方式，電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至非易失性鎖存電路400的循環(huán)結(jié)構(gòu)中的預(yù)定的位置。因此，每次數(shù)據(jù)寫入至鎖存電路時(shí)，在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的電荷。換言之，鎖存電路400的數(shù)據(jù)自動(dòng)地寫入至非易失性鎖存(數(shù)據(jù)寫入)。能類似地執(zhí)行數(shù)據(jù)重寫。能通過(guò)施加電位至第一晶體管431的柵極和第二晶體管432柵極來(lái)執(zhí)行寫入至電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)的保存，即在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷的保存，從而第一晶體管431和第二晶體管432截止(數(shù)據(jù)保存)。這里，用作第一晶體管431和第二晶體管432的晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)，并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓給至少包括在鎖存電路400中的第一元件(Dl) 412和第二元件(D2) 413之后，能將積聚在電容器中的電荷保持為被保存。因此，甚至在已經(jīng)停止電源電壓的供應(yīng)之后，能將鎖存電路400的邏輯狀態(tài)保持為被存儲(chǔ)。電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至第一元件(D1 )412的輸入。因此，在重新開始供應(yīng)電源電壓給至少鎖存電路400的第一元件(Dl)412時(shí)，通過(guò)積聚在電容器404和第三晶體管421的柵極電容的電荷來(lái)確定輸出信號(hào)OUT的電位。即，能讀取寫入至電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)讀取)。作為用于第一晶體管431和第二晶體管432的每ー個(gè)的溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層，能使用下面的氧化物半導(dǎo)體作為四金屬元素氧化物In-Sn-Ga-Zn-O-基氧化物半導(dǎo)體；作為三金屬元素氧化物的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體或Sn-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為ニ金屬元素氧化物的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Zn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Mg-O-基氧化物半導(dǎo)體或In-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體；或In-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體。此外，上述氧化物半導(dǎo)體材料可包含Si02。在上述結(jié)構(gòu)中，例如，In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體表示至少包含In、Sn、Ga以及Zn的氧化物半導(dǎo)體。對(duì)每ー種金屬元素的組成比沒有限制，并且可包含除了 In、Sn、Ga以及Zn之外的金屬元素。備選地，作為氧化物半導(dǎo)體層，能使用包含由InMO3 (ZnO)w Os > 0，并且》不是自然數(shù))表不的材料的膜。這里，M表不從Ga、Al、Mn以及Co中選擇的ー種或多種金屬兀素。例如，M能為Ga、Ga和Al、Ga和Mn、或Ga和Co。在上述結(jié)構(gòu)中，氧化物半導(dǎo)體層中的氫濃度能小于或等于5X 1019/cm3，優(yōu)選地小于或等于5X 1018/cm3，更優(yōu)選地小于或等于5X IO1Vcm3,并且進(jìn)一步優(yōu)選地小于或等于IXlO1Vcm30此外，氧化物半導(dǎo)體層的載流子濃度能小于IXlO1Vcm3，優(yōu)選地小于IXlO12/cm3,并且更加優(yōu)選地小于I X IO1Vcm30
在上述結(jié)構(gòu)中，各使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管431和晶體管432可為底柵晶體管或頂柵晶體管。另外，晶體管431和晶體管432可為底接觸晶體管或頂接觸晶體管。底柵晶體管至少包括絕緣表面之上的柵電極，柵電極之上的柵極絕緣膜以及在柵極絕緣膜之上與柵電極重疊并且用作溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層。頂柵晶體管至少包括用作溝道形成區(qū)的、絕緣表面之上的氧化物半導(dǎo)體層，氧化物半導(dǎo)體層之上的柵極絕緣膜以及在柵極絕緣膜之上與氧化物半導(dǎo)體層重疊的柵電極。底接觸晶體管包括源電極和漏電極之上的用作溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層。頂接觸晶體管包括用作溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層之上的源電極和漏電極。包括使用由上述的氧化物半導(dǎo)體材料制成的氧化物半導(dǎo)體層形成的溝道形成區(qū)的晶體管(第一晶體管431和第二晶體管432)能夠具有下面的特性在施加至漏電極的漏極電壓Vd為+IV或+IOV以及施加至柵電極的柵極電壓Vg為-5V至-20V的范圍內(nèi)的情況下，在室溫時(shí)的斷態(tài)電流(例如，20°C)小于或等于10_13A ;并且例如甚至在晶體管具有IX 104y m的溝道寬度/f和3 ii m的溝道長(zhǎng)度的情況下亞閾值擺動(dòng)(S值)也為大約0. lV/dec.(柵極絕緣膜厚度為lOOnm)。此外，上述晶體管具有常斷特性，其中在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV卿，在n溝道晶體管的情況下閾值電壓為正值)吋，晶體管截止。因此，上述晶體管具有下面的特性在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV吋，斷態(tài)電流(也稱為泄漏電流)遠(yuǎn)小于使用硅用于溝道形成區(qū)的晶體管的斷態(tài)電流。例如，具有r = IX IO4U m的上述的晶體管在室溫下具有姆I y m溝道寬度為IOaA/ii m或更小的泄漏電流。因此，在包括使用氧化物半導(dǎo)體層形成的溝道形成區(qū)的晶體管用作開關(guān)元件吋，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)鎖存電路的電源電壓之后，能將積聚在中電容器中的電荷保持為被保存。即，能將寫入至電容器的數(shù)據(jù)保持為被保存。例如，有可能實(shí)現(xiàn)比DRAM的刷新時(shí)間長(zhǎng)得多的刷新時(shí)間，該DRAM使用包括由硅制成的溝道形成區(qū)的晶體管形成，并且也可能實(shí)現(xiàn)幾乎跟非易失性存儲(chǔ)器一祥好的存儲(chǔ)器保存特性(數(shù)據(jù)保存特性)。此外，在已經(jīng)重新開始供應(yīng)電源電壓給鎖存電路吋，能讀取保存在電容器中的數(shù)據(jù)。因此，邏輯狀態(tài)能恢復(fù)至在停止供應(yīng)電源電壓之前的邏輯狀態(tài)。此外，上述晶體管具有好的溫度特性，并且甚至在高溫時(shí)也能夠具有充分低的斷態(tài)電流和充分高的通態(tài)電流。例如，對(duì)于晶體管的Vg-Id特性，得到下面的數(shù)據(jù)在-25°C至150°C的范圍內(nèi)具有小的溫度相關(guān)性的通態(tài)電流、遷移率以及S值；并且在該溫度范圍內(nèi)，斷態(tài)電流極小至小于或等于I X 10_13A。認(rèn)為上述的特性能通過(guò)將氧化物半導(dǎo)體用于晶體管的溝道形成區(qū)來(lái)得到，該氧化物半導(dǎo)體具有將要高度純化的充分低的氫濃度和具有充分低的載流子濃度，即本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體。即，晶體管的溝道形成區(qū)由從其中去除了作為n型雜質(zhì)的氫的氧化物半導(dǎo)體制成，使得盡可能少的包含除了氧化物半導(dǎo)體的主要成分之外的雜質(zhì)，并且該氧化物半導(dǎo)體被高度純化為本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體。注意，在本說(shuō)明書中，具有小于IX 10n/cm3的載流子濃度的半導(dǎo)體稱為“本征”(“i型”)半導(dǎo)體，并且具有載流子濃度IXlO1Vcm3或更高并且小于IXlO1Vcm3的半導(dǎo)體稱為“實(shí)質(zhì)本征”(“實(shí)質(zhì)i型”)半導(dǎo)體。通過(guò)利用這樣的本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體，晶體管能具有每Iym的溝道寬度r為IOaA (IXl(T17A)/iim或更小、優(yōu)選地IaA (I X I(T18A) / y m或更小 的斷態(tài)電流。如上所述，在本實(shí)施例中，使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件；因此，能夠提供這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作并且甚至在高溫時(shí)穩(wěn)定地操作，并且其中甚至在電カ被切斷時(shí)存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)也不會(huì)被擦除。注意，在氧化物半導(dǎo)體層中的氫濃度為通過(guò)SMS (二次離子質(zhì)譜法)測(cè)量的濃度。<非易失性鎖存電路中元件的結(jié)構(gòu)>
除了使用氧化物半導(dǎo)體的第一晶體管431和第二晶體管432之外，包括在非易失性鎖存電路400中的有些元件能由除了氧化物半導(dǎo)體之外的半導(dǎo)體材料制成。作為除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料，能使用單晶硅、晶體硅等等。例如，除了第一晶體管431和第二晶體管432之外的元件能設(shè)置在包含半導(dǎo)體材料的襯底之上。作為包含半導(dǎo)體材料的襯底，能使用硅晶圓、SOI (絕緣體上硅)襯底、在絕緣表面之上的硅膜等等。使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料使高速操作成為可能。例如，包括在第一元件(Dl) 412中的第三晶體管421能夠由除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料(諸如硅)制成。包括在第一元件(Dl) 412和第二元件(D2) 413中的其它元件也能由除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料(諸如硅)制成。能使用與半導(dǎo)體層、絕緣層、導(dǎo)電層或用作布線的導(dǎo)電層相同的材料以及在與其相同的層之上形成包括在非易失性鎖存電路400中的諸如電容器404的另ー個(gè)元件，該半導(dǎo)體層、絕緣層、導(dǎo)電層或用作布線的導(dǎo)電層包括在使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管(第一晶體管431，第二晶體管432)中或使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料(諸如硅)的晶體管中。例如，使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料的第三晶體管421能設(shè)置在下部，并且各使用氧化物半導(dǎo)體的第一晶體管431和第二晶體管432能設(shè)置在上部。然后，能夠制造具有兩個(gè)晶體管的特性的優(yōu)良的非易失性鎖存電路。圖3A和圖3B示出包括在非易失性鎖存電路中的元件的結(jié)構(gòu)的示例。在圖3A中，使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料的晶體管421設(shè)置在在下部，并且使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管402設(shè)置在上部。晶體管402用作第一晶體管431和第二晶體管432。晶體管421用作第三晶體管421。圖3A為截面圖而圖3B為頂視圖。圖3A對(duì)應(yīng)于沿著圖3B中的線A1-A2和線B1-B2的橫截面。在圖3A和圖3B中，使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料的晶體管421設(shè)置在下部，并且使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管402設(shè)置在上部。晶體管421包括在包含半導(dǎo)體材料的襯底100中的溝道形成區(qū)116 ;雜質(zhì)區(qū)114和高濃度雜質(zhì)區(qū)120 (也總體簡(jiǎn)稱為雜質(zhì)區(qū))；在溝道形成區(qū)116之上的柵極絕緣層108a ；在柵極絕緣層108a之上的柵電極IlOa ;以及電連接至雜質(zhì)區(qū)114的源電極或漏電極130a以及源電極或漏電極130b (參見圖3A)。側(cè)壁絕緣層118設(shè)置在柵電極IlOa的側(cè)面上。高濃度雜質(zhì)區(qū)120設(shè)置在從上方看時(shí)不與側(cè)壁絕緣層118重疊的襯底100的區(qū)域內(nèi)，并且金屬化合物區(qū)124設(shè)置成與高濃 度雜質(zhì)區(qū)120接觸。元件隔離絕緣層106設(shè)置在襯底100之上，以便圍繞晶體管421。層間絕緣層126和層間絕緣層128設(shè)置成圍繞晶體管421。注意，在半導(dǎo)體元件高度微型化的情況下不一定設(shè)置側(cè)壁絕緣層118。源電極或漏電極130a和源電極或漏電極130b通過(guò)在層間絕緣層126和層間絕緣層128中形成的開ロ電連接至金屬化合物區(qū)124。換言之，源電極或漏電極130a和源電極或漏電極130b通過(guò)金屬化合物區(qū)124電連接至高濃度雜質(zhì)區(qū)120和雜質(zhì)區(qū)114。晶體管402包括層間絕緣層128之上的柵電極136d，柵電極136d之上的柵極絕緣層138，柵極絕緣層138之上的氧化物半導(dǎo)體層140，以及在氧化物半導(dǎo)體層140之上并且電連接至氧化物半導(dǎo)體層140的源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b (參見圖3A)。保護(hù)絕緣層144設(shè)置在晶體管402之上，以便與氧化物半導(dǎo)體層140的一部分接觸。層間絕緣層146設(shè)置在保護(hù)絕緣層144之上。保護(hù)絕緣層144和層間絕緣層146包括達(dá)到源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b的開ロ。電極150d和電極150e設(shè)置成通過(guò)開ロ與源電極或漏電極142a以及源電極或漏電極142b接觸。與電極150d和電極150e的形成同時(shí)，電極150a、電極150b以及電極150c通過(guò)在柵極絕緣層138、保護(hù)絕緣層144以及層間絕緣層146中形成的開ロ分別形成為與電極136a、電極136b以及電極136c接觸。例如，雖然底柵晶體管用作晶體管402，但晶體管的結(jié)構(gòu)不限于此并且可使用頂柵晶體管。絕緣層152設(shè)置在層間絕緣層146之上。電極154a電極154b、電極154c以及電極154d設(shè)置成嵌入在絕緣層152中。電極154a、電極154b、電極154c以及電極154d分別與電極150a、電極150b、電極150c和150d、以及電極150e接觸。S卩，晶體管402的源電極或漏電極142a通過(guò)電極130c、電極136c、電極150c、電極154c以及電極150d電連接至其它的元件(諸如使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料的晶體管)(參見圖3A)。晶體管402的源電極或漏電極142b通過(guò)電極150e和電極154d電連接至其它的元件。注意，連接電極(諸如電極130c、電極136c、電極150c、電極154c以及電極150d)的結(jié)構(gòu)不限于以上的范圍，并且可適當(dāng)?shù)靥砑印⑹÷噪姌O等。雖然以上示出了連接關(guān)系的示例，但本公開發(fā)明的實(shí)施例不限于此。優(yōu)選氧化物半導(dǎo)體層140為從其中充分去除了諸如氫的雜質(zhì)的高度純化的氧化物半導(dǎo)體層。特別地，通過(guò)二次離子質(zhì)譜法(SMS)測(cè)量的氧化物半導(dǎo)體層140中的氫濃度為小于或等于5 X IO1Vcm3，優(yōu)選地小于或等于5 XlO1Vcm3,更優(yōu)選地小于或等于5 X IO17/cm3,并且進(jìn)一步優(yōu)選地小于I X 1016/cm3。注意，具有充分低的氫濃度的高度 純化的氧化物半導(dǎo)體層140具有遠(yuǎn)低于典型的硅晶圓(稍微添加有諸如磷或硼的雜質(zhì)元素的硅晶圓)的載流子濃度(大約IXlO1Vcm3)的載流子濃度(例如，小于I X IO1Vcm3，優(yōu)選地小于lX10n/Cm3)。通過(guò)利用這樣的i型或?qū)嵸|(zhì)i型氧化物半導(dǎo)體，能得到具有優(yōu)良的截止電流特性的晶體管402。例如，在施加至漏電極的漏極電壓Vd為+IV或+IOV并且施加至柵電極的柵極電壓Vg在-5V至-20V范圍內(nèi)的情況下，甚至在晶體管具有I X IO4 ii m的溝道寬度W以及3um的溝道長(zhǎng)度的情況下，室溫下的斷態(tài)電流也小于或等于10_13A。此外，晶體管402具有作為常斷晶體管的特性。因此，晶體管402具有下面的特性在柵電極和源電極之間的電壓為大約OV時(shí)，斷態(tài)電流(也稱為泄漏電流)比使用硅用于溝道形成區(qū)的晶體管的斷態(tài)電流小得多。例如，在室溫下晶體管402具有姆Ium溝道寬度為IOaA/iim或更小的泄漏電流。此外，晶體管402具有好的溫度特性，并且甚至在高溫時(shí)能具有充分低的斷態(tài)電流和充分高的通態(tài)電流。例如，對(duì)于晶體管的Vg-Id特性，得到下面的數(shù)據(jù)在-25°C至150°C的范圍內(nèi)具有小的溫度相關(guān)性的通態(tài)電流、遷移率以及S值；并且在該溫度范圍內(nèi)，斷態(tài)電流極小至小于或等于I X 10_13A。通過(guò)使用這樣的本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體，晶體管能具有每I Pm溝道寬度r為IOaA (IXl(T17A)/iim或更小、優(yōu)選地IaA (I X I(T18A) / y m或更小的斷態(tài)電流。如上所述，在具有充分低的氫濃度的高度純化的氧化物半導(dǎo)體層140被使用從而晶體管402的斷態(tài)電流減小吋，能實(shí)現(xiàn)具有新的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。<制造非易失性鎖存電路中的元件的方法>
隨后，將描述制造包括在上述的非易失性鎖存電路中的元件的方法的示例。首先，將參照?qǐng)D4A至圖4H來(lái)描述制造晶體管421的方法，并且然后將參照?qǐng)D5A至圖5G或圖6A至圖6D來(lái)描述制造晶體管402的方法。用下面示出的制造方法，能制造包括在上述的非易失性鎖存電路中的元件。注意，圖4A至圖4H僅僅示出沿著圖3A中的線A1-A2的橫截面。圖5A至圖5G以及圖6A至圖6D示出沿著圖3A中的線A1-A2和線B1-B2的橫截面?！粗圃煸谙虏康木w管的方法〉
首先，準(zhǔn)備包括半導(dǎo)體材料的襯底100(參見圖4A)。作為包括半導(dǎo)體材料的襯底100，例如能夠使用由硅、碳化硅等制成的單晶半導(dǎo)體襯底或多晶半導(dǎo)體襯底，由硅鍺等制成的化合物半導(dǎo)體襯底，或SOI襯底。這里示出的示例是使用單晶硅襯底作為包括半導(dǎo)體材料的襯底100的情況。注意，一般而言，“SOI襯底”表示其中硅半導(dǎo)體層設(shè)置在絕緣表面之上的襯底。在本說(shuō)明書等中，“SOI襯底”在其類別中還包括由除了硅之外的材料形成的半導(dǎo)體層設(shè)置在絕緣表面之上的襯底。即，包括在“SOI襯底”中的半導(dǎo)體層不限于硅半導(dǎo)體層。另外，SOI襯底可具有其中半導(dǎo)體層設(shè)置在諸如玻璃襯底的絕緣襯底之上的結(jié)構(gòu)。用作形成元件隔離絕緣層的掩模的保護(hù)層102形成于襯底100之上(參見圖4A)。作為保護(hù)層102，例如，能使用由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等制成的絕緣層。注意，在該步驟之前或之后，為了控制晶體管的閾值電壓，賦予n型導(dǎo)電性的雜質(zhì)元素或賦予p型導(dǎo)電性的雜質(zhì)元素可被添加至襯底100。在使用硅作為半導(dǎo)體材料的情況下，磷、神等等能用作賦予n型導(dǎo)電性的雜質(zhì)，并且硼、鋁、鎵等等能用作賦予p型導(dǎo)電性的雜質(zhì)。隨后，使用保護(hù)層102作為掩模，通過(guò)蝕刻去除在沒有覆蓋有保護(hù)層102的區(qū)域內(nèi)(gp，在暴露的區(qū)域內(nèi))的襯底100的一部分。因此，形成絕緣的半導(dǎo)體區(qū)104 (參見圖4B)。作為蝕刻，優(yōu)選地執(zhí)行干法蝕刻，但是能執(zhí)行濕法蝕刻。能根據(jù)將要蝕刻的材料適當(dāng)?shù)剡x擇蝕刻氣體或蝕刻劑。然后，絕緣層形成為覆蓋半導(dǎo)體區(qū)104，并且選擇性地去除與半導(dǎo)體區(qū)104重疊的區(qū)域內(nèi)的絕緣層，從而形成元件隔離絕緣層106 (參見圖4B)。絕緣層由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等制成。作為去除絕緣層的方法，能采用蝕刻處理和諸如CMP的拋光處理的任ー種。注意，在半導(dǎo)體區(qū)104的形成之后或元件隔離絕緣層106的形成之后去除保護(hù)層102。隨后，絕緣層形成于半導(dǎo)體區(qū)104之上，并且包括導(dǎo)電材料的層形成于絕緣層之上。 稍后絕緣層用作柵極絕緣層，并且優(yōu)選地具有單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)，該單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)使用通過(guò)CVD方法、濺射方法等等形成的、包含氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁、氧化鉭等等的膜。備選地，絕緣層可以這樣的方式形成，即通過(guò)高密度等離子體處理或熱氧化處理來(lái)氧化或氮化半導(dǎo)體區(qū)104的表面。例如，能使用諸如He、Ar、Kr或Xe的稀有氣體和諸如氧、氧化氮、氨、氮、或氫的氣體的混合氣體執(zhí)行高密度等離子體處理。絕緣層的厚度沒有具體的限制，并且例如，絕緣層能具有Inm至IOOnm (包括兩端)的厚度。包括導(dǎo)電材料的層能由諸如鋁、銅、鈦、鉭或鎢的金屬材料制成。包括導(dǎo)電材料的層也可由諸如包含賦予導(dǎo)電性的雜質(zhì)元素的多晶硅的半導(dǎo)體材料形成。對(duì)形成包括導(dǎo)電材料的層的方法沒有具體的限制，而能采用諸如蒸發(fā)方法、CVD方法、濺射方法或旋涂方法的各種膜形成方法。注意，本實(shí)施例示出由金屬材料制成包括導(dǎo)電材料的層的情況的示例。此后，選擇性蝕刻絕緣層和包括導(dǎo)電材料的層，由此形成柵極絕緣層108a和柵電極IlOa (參見圖4C)。隨后，形成覆蓋柵電極IlOa的絕緣層112 (參見圖4C)。然后添加磷(P)、砷(As)等至半導(dǎo)體區(qū)104，由此形成具有淺結(jié)深度的雜質(zhì)區(qū)114(參見圖4C)。注意，這里添加磷或砷是為了形成n溝道晶體管；在形成p溝道晶體管的情況下可添加諸如硼(B)或鋁(Al)的雜質(zhì)元素。利用雜質(zhì)區(qū)114的形成，在半導(dǎo)體區(qū)104中在柵極絕緣層108a之下形成溝道形成區(qū)116 (參見圖4C)。這里，能適當(dāng)?shù)卦O(shè)置添加的雜質(zhì)的濃度；在半導(dǎo)體元件的尺寸極大減小時(shí)優(yōu)選地増加該濃度。這里采用雜質(zhì)區(qū)114形成于絕緣層112的形成之后的步驟；備選地，可在雜質(zhì)區(qū)114的形成之后形成絕緣層112。隨后，形成側(cè)壁絕緣層118 (參見圖4D)。在絕緣層形成為覆蓋絕緣層112并且然后經(jīng)受高度各向異性蝕刻時(shí)，能以自對(duì)齊的方式形成側(cè)壁絕緣層118。這時(shí)，優(yōu)選部分地蝕刻絕緣層112，從而暴露柵電極IlOa的頂面和雜質(zhì)區(qū)114的頂面。注意，在半導(dǎo)體元件的高度微型化的情況下沒有必要設(shè)置側(cè)壁絕緣層118。然后，絕緣層形成為覆蓋柵電極110a、雜質(zhì)區(qū)114、側(cè)壁絕緣層118等。然后，磷(P)、神(As)等等被添加至與雜質(zhì)區(qū)114接觸的區(qū)域；因此，形成高濃度雜質(zhì)區(qū)120。此后，去除絕緣層，并且金屬層122形成為覆蓋柵電極110a、側(cè)壁絕緣層118、高濃度雜質(zhì)區(qū)120等(參見圖4E)。能通過(guò)諸如真空蒸發(fā)法、濺射方法或旋涂方法的各種膜形成方法形成金屬層122。金屬層122優(yōu)選地由金屬材料制成，該金屬材料與包括在半導(dǎo)體區(qū)104中的半導(dǎo)體材料起反應(yīng)以成為低電阻金屬化合物。這樣的金屬材料的示例包括鈦、鉭、鎢、鎳、鈷和鉬。隨后，執(zhí)行熱處理，從而金屬層122與半導(dǎo)體材料反應(yīng)。因此，形成與高濃度雜質(zhì)區(qū)120接觸的金屬化合物區(qū)124 (參見圖4F)。注意，在柵電極IlOa由多晶硅等制成時(shí)，在與金屬層122接觸的柵電極IlOa的區(qū)域中也形成金屬化合物區(qū)。作為熱處理，例如能采用利用閃光燈的照射。雖然不用說(shuō)能使用另ー個(gè)熱處理方法，但為了改進(jìn)在金屬化合物的形成中化學(xué)反應(yīng)的可控性，優(yōu)選地使用能用以達(dá)到極短時(shí)間的熱處理的方法。注意，金屬化合物區(qū)通過(guò)金屬材料和半導(dǎo)體材料的反應(yīng)來(lái)形成，并且具有充分高的導(dǎo)電性。金屬化合物區(qū)的形成能充分地降低電阻并改進(jìn)元件特性。注意，在金屬化合物區(qū)124形成之后去除金屬層122。然后，層間絕緣層126和層間絕緣層128形成為覆蓋在上述步驟中形成的組件(參見圖4G)。層間絕緣層126和128能由諸如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭的無(wú)機(jī)絕緣材料形成。備選地，層間絕緣層126和128能由諸如聚酰亞胺或丙烯酸的有機(jī)絕緣材料形成。注意，這里采用層間絕緣層126和層間絕緣層128的兩層結(jié)構(gòu)；然而，層間絕緣層的結(jié)構(gòu)不限于此結(jié)構(gòu)。在層間絕緣層128的形成之后，優(yōu)選地用CMP、蝕刻等對(duì)層間絕緣層128的表面進(jìn)行平面化。然后，在層間絕緣層中形成達(dá)到金屬化合物區(qū)124的開ロ，并且在開口中形成源電極或漏電極130a和源電極或漏電極130b (參見圖4H)。能以這樣的方式形成源電極或漏電極130a和130b，例如，即在包括開ロ的區(qū)域中通過(guò)PVD方法、CVD方法等形成導(dǎo)電層，然后通過(guò)蝕刻、CMP等去除導(dǎo)電層的一部分。注意，在通過(guò)去除導(dǎo)電層的一部分形成源電極或漏電極130a和130b的情況下，優(yōu)選地處理表面至被平面化。例如，當(dāng)在包括開ロ的區(qū)域內(nèi)形成鈦薄膜或氮化鈦薄膜并且然后鎢膜形成為嵌入開ロ時(shí)，隨后的CMP允許去除多余的鎢、鈦、氮化鈦等并改進(jìn)表面的平面度。在以這樣的方式平面化包括源電極或漏電極130a和130b的表面時(shí)，從而能在后來(lái)的步驟中有利地形成電極、布線、絕緣層、半導(dǎo)體層等。對(duì)用于源電極或漏電極130a和130b的材料沒有具體的限制，并且能使用各種導(dǎo)電材料。例如，能使用諸如鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧的導(dǎo)電材料。注意，這里僅僅示出與金屬化合物區(qū)124接觸的源電極或漏電極130a和130b ;在該步驟中，也能形成圖3A中的電極130c等。特別地，例如，能以如下的方式形成導(dǎo)電層在包括開ロ的區(qū)域中通過(guò)PVD方法形成鈦薄膜，并且通過(guò)CVD方法形成氮化鈦薄膜；然后，鎢膜形成為嵌入在開口中。這里，通過(guò)PVD方法形成的鈦膜具有還原可形成于金屬化合物區(qū)的表面上的氧化膜和降低與金屬化合物區(qū)的接觸電阻的功能。在鈦膜的形成之后形成的氮化鈦膜具有阻止導(dǎo)電材料的擴(kuò)散的阻擋功能。在鈦、氮化鈦等的阻擋膜的形成之后可通過(guò)電鍍方法形成銅膜。注意，不僅所謂的單鑲嵌方法而且雙鑲嵌方法均可被采用。 通過(guò)上述步驟，得到使用包括半導(dǎo)體材料的襯底100的晶體管421。注意，可在上述步驟之后進(jìn)ー步形成電極、布線、絕緣層等。在布線具有包括層間絕緣層和導(dǎo)電層的疊層結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)吋，能提供高度集成的半導(dǎo)體器件。<用于制造上部晶體管的方法>
隨后，將參照?qǐng)D5A至圖5G和圖6A至圖6D來(lái)描述在層間絕緣層128之上制造晶體管402的步驟。注意，圖5A至圖5G和圖6A至圖6D示出在層間絕緣層128之上制造電極、晶體管402等的步驟；因此，省略了布置在晶體管402之下的晶體管421等。首先，絕緣層132形成于層間絕緣層128、源電極或漏電極130a和130b以及電極130c之上(參見圖5A)。隨后，達(dá)到源電極或漏電極130a和130b以及電極130c的開ロ形成于絕緣層132中。然后，導(dǎo)電層134形成為嵌入開口中(參見圖5B)。此后，通過(guò)蝕刻、CMP 等去除導(dǎo)電層134的一部分，從而暴露絕緣層132并且形成電極136a、136b和136c以及柵電極136d (參見圖5C)。能通過(guò)PVD方法、CVD方法等形成絕緣層132。絕緣層132能由諸如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭的無(wú)機(jī)絕緣材料形成。在絕緣層132中的開ロ能通過(guò)使用掩模等的蝕刻形成。能通過(guò)諸如使用光掩模的曝光的方法形成掩模。可使用濕法蝕刻或干法蝕刻作為蝕刻；在微制造方面優(yōu)選地使用干法蝕刻。能通過(guò)諸如PVD方法或CVD方法的膜形成方法來(lái)形成導(dǎo)電層134。用于導(dǎo)電層134的材料的示例包括諸如鑰、鈦、鉻、鉭、鶴、招、銅、釹以及鈧的導(dǎo)電材料；以及任意這些材料的合金和化合物(例如氮化物)。更具體地，能以這樣的方式形成導(dǎo)電層134 :例如，通過(guò)PVD方法在包括開ロ的區(qū)域中形成鈦薄膜，并且通過(guò)CVD方法形成氮化鈦薄膜，并且然后，鎢膜形成為嵌入開ロ。這里，通過(guò)PVD方法形成的鈦膜具有還原可形成在下部電極(這里為源電極或漏電極130a和130b、電極130c等)的表面上的氧化膜和減少與下部電極的接觸電阻的功能。在鈦膜的形成之后形成的氮化鈦膜具有阻止導(dǎo)電材料的擴(kuò)散的阻擋功能。在鈦、氮化鈦等的阻擋膜形成之后可通過(guò)電鍍方法形成銅膜。注意，不僅所謂的單鑲嵌方法而且雙鑲嵌方法均可被采用。在形成導(dǎo)電層134之后，通過(guò)蝕刻、CMP等去除導(dǎo)電層134的一部分，由此暴露絕緣層132并且形成電極136a、136b和136c以及柵電極136d (參見圖5C)。注意，在通過(guò)去除導(dǎo)電層134的一部分形成電極136a、136b和136c以及柵電極136d時(shí),表面優(yōu)選地處理成平面化。在以這樣的方式平面化絕緣層132、電極136a、136b和136c以及柵電極136d的表面時(shí)，在后來(lái)的步驟中能有利地形成電極、布線、絕緣層、半導(dǎo)體層等。隨后，柵極絕緣層138形成為覆蓋絕緣層132、電極136a、136b和136c以及柵電極136d (參見圖OT)。能通過(guò)CVD方法、濺射方法等形成柵極絕緣層138。柵極絕緣層138優(yōu)選地由氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭等等制成。注意，柵極絕緣層138可具有單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。例如，能通過(guò)使用硅烷(SiH4)、氧和氮作為源氣體的等離子體CVD方法形成由氮氧化硅制成的柵極絕緣層138。對(duì)柵極絕緣層138的厚度沒有具體的限制，并且例如，柵極絕緣層138能具有IOnm至500nm (包括兩端)的厚度。在采用疊層結(jié)構(gòu)的情況下，例如，柵極絕緣層138優(yōu)選地為具有50nm至200nm (包括兩端)的厚度的第一柵極絕緣層，以及第一柵極絕緣層之上的、具有5nm至300nm (包括兩端)的厚度的第二柵極絕緣層的堆疊。如果在柵極絕緣層138中包含氫、水等，則氫可進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層或從氧化物半導(dǎo)體層中提取氧，這可引起晶體管的特性的降級(jí)。因此，優(yōu)選柵極絕緣層138包含盡可能少的氫或水。在使用濺射方法等的情況下，例如，優(yōu)選在去除處理室中剩余的水分的狀態(tài)下形成柵極絕緣層138。為了去除在處理室中剰余的水分，優(yōu)選地使用諸如低溫泵、離子泵或鈦升華泵的捕集真空泵?？墒褂锰峁┯欣溱宓臏u輪泵。從用低溫泵等排空的處理室中充分地去除氫、水等；因此，能減小在柵極絕緣層138中的雜質(zhì)的濃度。在形成柵極絕緣層138時(shí)，優(yōu)選使用其中諸如氫或水的雜質(zhì)的濃度被降低至小于或等于Ippm (優(yōu)選地，小于或等于Ippb)的高純度氣體。注意，通過(guò)去除雜質(zhì)被制成為i型或?qū)嵸|(zhì)i型氧化物半導(dǎo)體的氧化物半導(dǎo)體(高度純化的氧化物半導(dǎo)體)對(duì)界面狀態(tài)或界面電荷極其敏感；因此，在這樣的氧化物半導(dǎo)體用作氧化物半導(dǎo)體層時(shí)，在氧化物半導(dǎo)體層和柵極絕緣層之間的界面是重要的。換言之，與高度 純化的氧化物半導(dǎo)體層接觸的柵極絕緣層138需要具有高質(zhì)量。例如，使用微波(2. 45GHz)的高密度等離子體CVD方法是有利的，因?yàn)槟苡善湫纬删哂懈吣蛪旱?、致密且高質(zhì)量的柵極絕緣層138。這是因?yàn)樵诟叨燃兓难趸锇雽?dǎo)體層與高質(zhì)量的柵極絕緣層緊密接觸時(shí)，能降低界面狀態(tài)并且能得到有利的界面特性。不用說(shuō)，甚至在使用高度純化的氧化物半導(dǎo)體層時(shí)，也能采用諸如濺射方法或等離子體CVD方法的另ー種方法，只要能形成高質(zhì)量的絕緣層作為柵極絕緣層。此外，有可能使用這樣的絕緣層，其質(zhì)量和界面特性采用在形成絕緣層之后執(zhí)行的熱處理得到改進(jìn)。在任何情況下，形成這樣的絕緣層作為柵極絕緣層138，該絕緣層具有像柵極絕緣層138的有利的膜質(zhì)量并且能降低與氧化物半導(dǎo)體層的界面狀態(tài)密度以形成有利的界面。隨后，氧化物半導(dǎo)體層形成于柵極絕緣層138之上并且通過(guò)諸如使用掩模的蝕刻的方法處理，從而形成島狀氧化物半導(dǎo)體層140 (參見圖5E)。作為氧化物半導(dǎo)體層，能使用下面的氧化物半導(dǎo)體作為四金屬元素氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為三金屬元素氧化物的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體或Sn-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為ニ金屬元素氧化物的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Zn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體或In-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體；或In-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體。此外，上述的氧化物半導(dǎo)體材料可包含 Si02。備選地，作為氧化物半導(dǎo)體層，能使用包含通過(guò)InMO3 (ZnO)w 0 >0，并且 不是自然數(shù))表不的材料的薄膜。這里，M表不從Ga、Al、Mn和Co中選擇的一種或多種金屬兀素。例如，M能為Ga、Ga和Al、Ga和Mn或Ga和Co。在本實(shí)施例中，采用濺射方法、使用In-Ga-Zn-O基金屬氧化物靶來(lái)形成非晶氧化物半導(dǎo)體層作為氧物半導(dǎo)體層。注意，由于非晶氧化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶能夠通過(guò)向非晶氧化物半導(dǎo)體層添加硅來(lái)抑制，所以氧化物半導(dǎo)體層可例如使用包含2wt%至10wt% (包括兩端)的SiO2的祀來(lái)形成。
作為用于通過(guò)濺射方法來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層的靶，例如，有可能使用組成比為In2O3: Ga2O3: ZnO=I: I: I [摩爾比]的革巴。也有可能使用組成比為In2O3: Ga2O3: ZnO=I: 1:2 [摩爾比]的靶或組成比為In2O3: Ga2O3 = ZnO=I :1:4[摩爾比]的靶。金屬氧化物靶的填充率為90%至100% (包括兩端)，并且優(yōu)選地大于或等于95% (例如99.9%)。借助于具有高填充率的金屬氧化物靶，能形成作為致密膜的氧化物半導(dǎo)體層其中形成了氧化物半導(dǎo)體層的氣氛優(yōu)選地為稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣氛。具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選的是使用例如從其中將諸如氫、水、羥基或氫化物的雜質(zhì)去除到小于或等于Ippm (優(yōu)選，小于或等于Ippb)的濃度的高純度氣體氣氛。在形成氧化物半導(dǎo)體層時(shí)，將襯底保持在控制為降低的壓カ的處理室中，并且襯底溫度被設(shè)置為100°C至600°C (包括兩端)、優(yōu)選地為200°C至400°C (包括兩端)。通過(guò)在加熱襯底的同時(shí)來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層，能夠使氧化物半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)濃度能夠降低。此外，能夠降低因?yàn)R射引起的損壞。然后，將去除了氫和水的濺射氣體引入去除了剰余水分的處理室中，并且使用金屬氧化物作為靶來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層。為了去除處理室中的剰余水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵。例如，能夠使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。排空単元可以是提供有冷阱的渦輪泵。從采用低溫泵排空的沉積室中，去除氫原子、諸如水(H20)的包含氫原子的化合物(優(yōu)選地，還有包含碳原子的化合物)等，由此降低沉積室中形成的氧化物半導(dǎo)體層中包含的雜質(zhì)的濃度。例如，氧化物半導(dǎo)體層能夠在例如下列條件下形成襯底與靶之間的距離為IOOmm ;壓カ為0. 6Pa ;直流(DC)電源為0. 5kW ;以及氣氛為氧(100%的氧氣)。注意，優(yōu)選的是使用脈沖直流(DC)電源，因?yàn)槟軌蚪档突覊m，并且能夠使厚度分布均勻。氧化物半導(dǎo)體層的厚度為2nm至200nm (包括兩端)，優(yōu)選地為5nm至30nm (包括兩端)。注意，氧化物半導(dǎo)體層的適當(dāng)厚度根據(jù)使用的氧化物半導(dǎo)體材料而有所不同；因此，厚度可按照材料來(lái)確定。例如，在溝道長(zhǎng)度較短的情況下，氧化物半導(dǎo)體層的厚度能設(shè)置為大于等或等于5nm并且小于或等于30nm。在以這樣的方式減小元件的尺寸時(shí)，能達(dá)到高度集成，并且通過(guò)氧化物半導(dǎo)體層的厚度的減小能抑制短溝道效應(yīng)。注意，在氧化物半導(dǎo)體層采用濺射方法來(lái)形成之前，優(yōu)選執(zhí)行反向?yàn)R射，其中通過(guò)引入氬氣體來(lái)生成等離子體，使得去除附在柵極絕緣層138的表面上的灰塵。在這里，反向?yàn)R射是ー種方法，其中離子與待處理表面碰撞，使得表面經(jīng)過(guò)修正，與其中離子與濺射靶碰撞的標(biāo)準(zhǔn)濺射相反。用于使離子與待處理表面碰撞的方法的示例是ー種方法，其中高頻電壓在氬氣氛下施加到待處理表面，使得等離子體在襯底附近生成。注意，氮、氦、氧等的氣氛可用來(lái)代替氬氣氛。可采用干法蝕刻或濕法蝕刻用于蝕刻氧化物半導(dǎo)體層。不用說(shuō)，干法蝕刻和濕法蝕刻能夠結(jié)合使用。蝕刻條件(例如蝕刻氣體或蝕刻劑、蝕刻時(shí)間和溫度)根據(jù)材料來(lái)適當(dāng)設(shè)置，使得氧化物半導(dǎo)體層能夠蝕刻為預(yù)期形狀。用于干法蝕刻的蝕刻氣體的示例是包含氯的氣體(氯基氣體，諸如氯(Cl2)、三氯化硼(BC13)、四氯化硅(SiCl4)或四氯化碳(CCl4))等。此外，可使用包含氟的氣體(氟基氣體，諸如四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)或三氟甲烷(CHF3))、溴化氫(HBr)、氧(O2)、添加了諸如氦(He)或氬(Ar)的稀有氣體的任意這些氣體等。
作為干法蝕刻方法，能夠使用平行板RIE (反應(yīng)離子蝕刻)方法或ICP (電感耦合等離子體)蝕刻方法。為了將氧化物半導(dǎo)體層蝕刻為預(yù)期形狀，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置蝕刻條件(例如施加到線圈電極的電功率量、施加到襯底側(cè)的電極的電功率量和襯底側(cè)的電極溫度)。作為用于濕法蝕刻的蝕刻劑，能夠使用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液，氨過(guò)氧化氫混合物(氨、水和過(guò)氧化氫溶液的混合物)等。還可使用諸如IT007N (由KANTO CHEMICALCO. , INC.生產(chǎn))的蝕刻劑。然后，優(yōu)選地對(duì)氧化物半導(dǎo)體層執(zhí)行第一熱處理。氧化物半導(dǎo)體層能夠通過(guò)第一熱處理來(lái)脫水或脫氫。第一熱處理被執(zhí)行的溫度為300°C至800°C (包括兩端)，優(yōu)選地為400°C至700°C (包括兩端)，更優(yōu)選地為450°C至700°C (包括兩端)，以及進(jìn)ー步優(yōu)選地為550°C至700°C (包括兩端)。在以350°C或更高的溫度下的第一熱處理，允許對(duì)氧化物半導(dǎo)體層進(jìn)行脫水或脫氫，導(dǎo)致層中的氫濃度降低。在450°C或更高的溫度下的第一熱處理，允許層中的氫濃度進(jìn) 一歩降低。在550°C或更高的溫度下的第一熱處理，允許層中的氫濃度更進(jìn)一歩降低。例如，能以這樣的方式執(zhí)行第一熱處理，將襯底引入至使用電阻加熱元件等的電爐中，并且氧化物半導(dǎo)體層140以450°C在氮?dú)夥障陆?jīng)過(guò)I小時(shí)熱處理。在熱處理期間，氧化物半導(dǎo)體層140沒有暴露于空氣以防止水或氫的進(jìn)入。熱處理設(shè)備并不局限于電爐，而且也可能使用用于通過(guò)來(lái)自諸如加熱氣體的介質(zhì)的熱傳導(dǎo)或熱輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象的設(shè)備。例如，能使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)設(shè)備或LRTA (燈快速熱退火)設(shè)備的RTA (快速熱退火)設(shè)備。LRTA設(shè)備是用于通過(guò)從諸如鹵素?zé)?、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈的燈所發(fā)射的光(電磁波)的輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象的設(shè)備。GRTA設(shè)備是用于使用高溫氣體來(lái)執(zhí)行熱處理的設(shè)備。作為氣體，使用不會(huì)通過(guò)熱處理與待處理對(duì)象發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體，諸如氮，或諸如氬的稀有氣體。例如，作為第一熱處理，GRTA過(guò)程可按如下所述來(lái)執(zhí)行。將襯底放進(jìn)已經(jīng)加熱到650°C至700°C的高溫的惰性氣體氣氛，加熱數(shù)分鐘，并且從惰性氣體氣氛中取出。GRTA過(guò)程實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的高溫?zé)崽幚?。此外，甚至?dāng)溫度超過(guò)襯底的上限溫度時(shí)，也能夠采用GRTA過(guò)程，因?yàn)闊崽幚碓诙虝r(shí)間內(nèi)執(zhí)行。例如，在使用包括具有較低耐熱性的襯底的SOI襯底(諸如玻璃襯底)的情況下，襯底的收縮在高于溫度上限(應(yīng)變點(diǎn))的溫度下成為問題，但在執(zhí)行短時(shí)間熱處理的情況下不成問題。注意，作為其中執(zhí)行第一熱處理的惰性氣體氣氛，優(yōu)選的是使用包含氮或稀有氣體(例如氦、氖或氬)作為其主要成分但沒有包含水、氫等的氣氛。例如，引入熱處理設(shè)備中的氮或諸如氦、氖或氬的稀有氣體的純度大于或等于6N (99. 9999%)，優(yōu)選地大于或等于7N(99. 99999%)(即，雜質(zhì)濃度小于或等于Ippm,優(yōu)選地小于或等于0. Ippm)。注意，惰性氣體氣氛在該過(guò)程期間可改變成包含氧的氣氛。例如，在電爐用于第一熱處理的情況下，當(dāng)熱處理溫度下降時(shí)，氣氛會(huì)改變。例如，熱處理能夠在諸如稀有氣體(例如氦、氖或氬)或氮的惰性氣體的氣氛下(以恒定溫度)執(zhí)行，并且在溫度下降時(shí)，氣氛能夠改變到包含氧的氣氛。作為包含氧的氣氛，能夠使用氧氣體或氧氣體和氮?dú)怏w的混合氣體。又在采用包含氧的氣氛的情況下，優(yōu)選的是，氣氛沒有包含水、氫等。備選地，氧氣體或氮的純度優(yōu)選地大于或等于6N (99. 9999%)，優(yōu)選地大于或等于7N (99.99999%)(即，雜質(zhì)濃度小于或等于lppm,優(yōu)選地小于或等于0. lppm)。這是因?yàn)檠蹩瘴?oxygen vacancy)所引起的缺陷能夠通過(guò)在包含氧的氣氛下執(zhí)行第一熱處理來(lái)降低。取決于第一熱處理的條件或氧化物半導(dǎo)體層的材料，氧化物半導(dǎo)體層結(jié)晶成微晶或多晶。例如，在一些情況下，將氧化物半導(dǎo)體層結(jié)晶成具有90%或以上或80%或以上的結(jié)晶度的微晶氧化物半導(dǎo)體層，在其它的情況下，取決于第一熱處理的條件或氧化物半導(dǎo)體層的材料，氧化物半導(dǎo)體層可以是沒有包含晶體成分的非晶氧化物半導(dǎo)體層。此外，在氧化物半導(dǎo)體層中，微晶體(晶粒大小為Inm至20nm (包括兩端)，通常為2nm至4nm (包括兩端))有時(shí)混合在非晶氧化物半導(dǎo)體中(例如氧化物半導(dǎo)體層的表面中)。氧化物半導(dǎo)體層的電特性能夠通過(guò)對(duì)齊非晶半導(dǎo)體中的微晶體來(lái)改變。例如，在氧化物半導(dǎo)體層使用In-Ga-Zn-O基金屬氧化物靶來(lái)形成的情況下，形成其中具有電各向異性的In2Ga2ZnO7的晶粒被對(duì)齊的微晶部分，由此能夠改變氧化物半導(dǎo)體層的電特性。例如，當(dāng)晶粒對(duì)齊成使得In2Ga2ZnO7的c軸垂直于氧化物半導(dǎo)體層的表面時(shí),沿平 行于氧化物半導(dǎo)體層的表面的方向的導(dǎo)電率能夠得到改進(jìn)，并且沿垂直于氧化物半導(dǎo)體層的表面的方向的絕緣性質(zhì)能夠得到改進(jìn)。此外，這種微晶部分具有抑制諸如水或氫的雜質(zhì)進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層的功能。注意，包括微晶部分的氧化物半導(dǎo)體層能夠通過(guò)經(jīng)由GRTA過(guò)程加熱氧化物半導(dǎo)體層的表面來(lái)形成。此外，氧化物半導(dǎo)體層能夠按照更優(yōu)選的方式通過(guò)使用其中Zn的量比In或Ga的量要小的濺射靶來(lái)形成。氧化物半導(dǎo)體層140的第一熱處理能夠?qū)ι形幢惶幚沓蓫u狀氧化物半導(dǎo)體層140的氧化物半導(dǎo)體層來(lái)執(zhí)行。在那種情況下，在第一熱處理之后，從加熱設(shè)備中取出襯底，并且執(zhí)行光刻步驟。注意，上述熱處理又能夠稱作脫水處理、脫氫處理等，因?yàn)槠渚哂袑?duì)氧化物半導(dǎo)體層140的脫水或脫氫的效果。這樣的脫水處理或脫氫處理例如能夠在形成氧化物半導(dǎo)體層之后、在氧化物半導(dǎo)體層140之上堆疊源電極或漏電極之后或在源電極或漏電極之上形成保護(hù)絕緣層之后執(zhí)行。這種脫水處理或脫氫處理可執(zhí)行一次或多次。隨后，源電極或漏電極142a和源電極或漏電極142b形成為使得與氧化物半導(dǎo)體層140相接觸(參見圖5F)。源電極或漏電極142a和142b能夠按照如下方式來(lái)形成使得導(dǎo)電層形成為覆蓋氧化物半導(dǎo)體層140，并且然后有選擇地蝕刻。導(dǎo)電層能夠采用諸如濺射方法的PVD (物理氣相沉積)方法或諸如等離子體CVD方法的CVD (化學(xué)氣相沉積)方法來(lái)形成。作為用于導(dǎo)電層的材料，能夠使用從鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鑰和鎢中選取的元素，包含任意這些元素作為其成分的合金等等。此外，可使用從錳、鎂、鋯、鈹和釔中選取的材料的ー種或多種。還能夠使用與從鈦、鉭、鎢、鑰、鉻、釹和鈧中選取的元素的一種或多種相結(jié)合的鋁。氧化物導(dǎo)電膜可用于導(dǎo)電層。作為氧化物導(dǎo)電膜，能夠使用氧化銦(ln203)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦-氧化錫合金(In2O3-SnO2,在一些情況下縮寫成IT0)、氧化銦-氧化鋅合金(In2O3-ZnO)或添加了硅或氧化硅的任意這些金屬氧化物材料。在那種情況下，與用于氧化物半導(dǎo)體層140的材料相比，優(yōu)選使用導(dǎo)電率較高或電阻率較低的材料。氧化物導(dǎo)電膜的導(dǎo)電率能夠通過(guò)載流子濃度的増加來(lái)増加。氧化物導(dǎo)電膜中的載流子濃度能夠通過(guò)氫濃度的增加來(lái)增加。此外，氧化物導(dǎo)電膜中的載流子濃度能夠通過(guò)氧空位的增加來(lái)增加。導(dǎo)電層能夠具有單層結(jié)構(gòu)或包括兩層或更多層的疊層結(jié)構(gòu)。例如，導(dǎo)電層能夠具有包含硅的鋁膜的單層結(jié)構(gòu)、鈦膜堆疊在鋁膜之上的ニ層結(jié)構(gòu)或鈦膜、鋁膜和鈦膜按照這個(gè)順序堆疊的三層結(jié)構(gòu)。在這里，采用鈦膜、鋁膜和鈦膜的三層結(jié)構(gòu)。注意，氧化物導(dǎo)電層可在氧化物半導(dǎo)體層140與導(dǎo)電層之間形成。氧化物導(dǎo)電層和導(dǎo)電層能夠接連形成(接連地沉積)。這種氧化物導(dǎo)電層允許降低源區(qū)或漏區(qū)的電阻，以便晶體管能夠高速操作。隨后，選擇地蝕刻導(dǎo)電層來(lái)形成源電極或漏電極142a和142b(參見圖5F)。這里，紫外光、KrF激光或ArF激光優(yōu)選地用于在形成用于蝕刻的掩模中的曝光。晶體管的溝道長(zhǎng)度(L)通過(guò)源電極或漏電極142a的下邊緣部分與源電極或漏電極142b的下邊緣部分之間的距離來(lái)確定。注意，在執(zhí)行曝光以使得溝道長(zhǎng)度(L)小于25nm的情況下，用于形成掩模的曝光采用其波長(zhǎng)為極短的數(shù)納米至數(shù)十納米的遠(yuǎn)紫外線來(lái)執(zhí)行。采用遠(yuǎn)紫外線的曝光導(dǎo)致較高的分辨率和較大的焦深。由于這些原因，能夠?qū)⒀谀ＴO(shè)計(jì)成使得后來(lái)將要形成的晶體管的溝道長(zhǎng)度(L)小于25nm，也就是說(shuō)在IOnm至IOOOnm (包括兩端)的范圍之內(nèi)，并且電路能夠以更高速度進(jìn)行操作。此外，斷態(tài)電流極低，這防止功率消耗的增加。導(dǎo)電層和氧化物半導(dǎo)體層140的材料和蝕刻條件適當(dāng)?shù)卣{(diào)整成使得氧化物半導(dǎo)體層140在蝕刻導(dǎo)電層中沒有被去除。注意，取決于材料和蝕刻條件，氧化物半導(dǎo)體層140在蝕刻步驟中部分蝕刻，并且因而具有凹槽部分(凹陷部分)。為了減少使用的掩模的數(shù)量并且減少步驟的數(shù)量，該抗蝕劑掩膜使用作為光透射成具有多個(gè)強(qiáng)度的曝光掩模的多色調(diào)掩模而形成，從而能借助于抗蝕劑掩模來(lái)執(zhí)行蝕刻步驟。使用多色調(diào)掩模所形成的抗蝕劑掩模具有帶多個(gè)厚度的形狀(階梯狀形狀)并且還能夠通過(guò)灰化來(lái)改變形狀；因此，抗蝕劑掩模能夠在多個(gè)蝕刻步驟中用于處理為不同圖案。也就是說(shuō)，與至少兩種不同圖案對(duì)應(yīng)的抗蝕劑掩模能夠通過(guò)使用多色調(diào)掩模來(lái)形成。因此，曝光掩模的數(shù)量能夠減少，并且對(duì)應(yīng)的光刻步驟的數(shù)量也能夠減少，由此能夠簡(jiǎn)化過(guò)程。注意，在上述步驟之后，等離子體處理優(yōu)選地使用諸如N20、N2或Ar來(lái)執(zhí)行。這種等離子體處理去除附于氧化物半導(dǎo)體層的外露表面的水等。等離子體處理可使用氧和氬的混合氣體來(lái)執(zhí)行。隨后，保護(hù)絕緣層144在沒有暴露于空氣的情況下形成為與氧化物半導(dǎo)體層140的一部分相接觸(參見圖5G)。保護(hù)絕緣層144能夠適當(dāng)?shù)厥褂弥T如濺射方法的方法來(lái)形成，通過(guò)該方法，防止諸如水和氫的雜質(zhì)混合到保護(hù)絕緣層144。保護(hù)絕緣層144具有至少Inm或更大的厚度。保護(hù)絕緣層144能夠由氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮氧化硅等制成。保護(hù)絕緣層144能夠具有單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。在形成保護(hù)絕緣層144時(shí)的襯底溫度優(yōu)選地高于或等于室溫并且低于或等于至300°C。用于形成保護(hù)絕緣層144的氣氛優(yōu)選地為稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或包含稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣氛。如果氫包含在保護(hù)絕緣層144中，則氫可進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層或者提取氧化物半導(dǎo)體層中的氧，由此背溝道側(cè)的氧化物半導(dǎo)體層的電阻可能降低，并且寄生溝道可能形成。 因此，重要的是在形成保護(hù)絕緣層144中不使用氫，使得氧化物絕緣層144包含盡可能少的氫。此外，優(yōu)選保護(hù)絕緣層144在去除處理室中的剰余水分的同時(shí)來(lái)形成，這是為了阻止氫、羥基或水分被包含在氧化物半導(dǎo)體層140和保護(hù)絕緣層144中。為了去除處理室中剰余的水分，優(yōu)選地使用捕集真空泵。例如，優(yōu)選地使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。排空單元可以是提供有冷阱的渦輪泵。從采用低溫泵排空的沉積室中去除氫原子以及諸如水(H2O)等的包含氫原子的化合物；因此，能夠降低沉積室中形成的保護(hù)絕緣層144中包含的雜質(zhì)濃度。作為在形成保護(hù)絕緣層144時(shí)使用的濺射氣體，優(yōu)選使用從其中將諸如氫、水、羥基或者混合物的雜質(zhì)去除到Ippm或更小(優(yōu)選地為Ippb或更小)的濃度的高純度氣體。 隨后，第二熱處理優(yōu)選地在惰性氣體氣氛或氧氣氣氛下(優(yōu)選地以200°C至400°C(包括兩端)，例如以250°C至350°C(包括兩端))執(zhí)行。例如，第二熱處理在氮?dú)夥障乱?50°C執(zhí)行I小吋。第二熱處理能夠降低晶體管的電特性的變化。此外，熱處理可在空氣中以100°C至200°C (包括兩端)執(zhí)行I小時(shí)至30小時(shí)。這一熱處理可在固定的加熱溫度下執(zhí)行；備選地，加熱溫度從室溫増加到100°C至200°C (包括兩端)并且加熱溫度降低到室溫，這可重復(fù)執(zhí)行多次。這ー熱處理可在形成保護(hù)絕緣層之前在降低的壓カ下執(zhí)行。在降低的壓カ下，熱處理時(shí)間能夠縮短。例如，這種熱處理可代替第二熱處理來(lái)執(zhí)行，或者可在第二熱處理之前或之后執(zhí)行。隨后，層間絕緣層146在保護(hù)絕緣層144之上形成(參見圖6A)。能夠采用PVD方法、CVD方法等來(lái)形成層間絕緣層146。層間絕緣層146能夠由諸如氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭的無(wú)機(jī)絕緣材料來(lái)形成。在層間絕緣層146的形成之后，優(yōu)選地采用CMP、蝕刻等方法來(lái)對(duì)層間絕緣層146的表面進(jìn)行平面化。隨后，達(dá)到電極136a、電極136b、和電極136c以及源電極或漏電極142a和142b的開ロ在層間絕緣層146、保護(hù)絕緣層144和柵極絕緣層138中形成。然后，導(dǎo)電層148形成為嵌入開口中(參見圖6B)。開ロ能夠采用諸如使用掩模的蝕刻的方法來(lái)形成。掩模能夠采用諸如使用光掩模的曝光的方法來(lái)形成。濕法蝕刻或干法蝕刻可用作蝕刻；在微制造方面優(yōu)選地使用干法蝕刻。導(dǎo)電層148能夠通過(guò)諸如PVD方法或CVD方法的膜形成方法來(lái)形成。例如，導(dǎo)電層134能夠使用諸如鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧的導(dǎo)電材料或者任意這些材料的合金或化合物(例如氮化物)來(lái)形成。具體來(lái)說(shuō)，例如，導(dǎo)電層148能按如下方式形成在包括開ロ的區(qū)域中通過(guò)PVD方法形成鈦薄膜，并且通過(guò)CVD方法來(lái)形成氮化鈦薄膜，然后鎢膜形成為嵌入開口中。在這里，通過(guò)PVD方法所形成的鈦膜具有還原可在界面處形成的氧化膜并降低與下部電極(在這里為電極136a、電極136b、和電極136c以及源電極或漏電極142a和142b)的接觸電阻的功能。在形成鈦膜之后所形成的氮化鈦膜具有防止導(dǎo)電材料擴(kuò)散的阻擋功能?？稍谛纬赦?、氮化鈦等的阻擋膜之后采用電鍍方法來(lái)形成銅膜。在形成導(dǎo)電層148之后，導(dǎo)電層148的一部分通過(guò)蝕刻、CMP等方法被去除，使得暴露層間絕緣層146，并且形成電極150a、150b、150c、150d和150e (參見圖6C)。注意，當(dāng)電極150a、150b、150c、150d和150e通過(guò)去除導(dǎo)電層148的一部分來(lái)形成時(shí)，優(yōu)選地將表面處理成被平面化。當(dāng)層間絕緣層146以及電極150a、150b、150c、150d和150e的表面按照這種方式來(lái)平面化時(shí)，電極、布線、絕緣層、半導(dǎo)體層等能夠在后來(lái)的步驟中有利地形成。然后，形成絕緣層152，并且達(dá)到電極150a、150b、150c、150d和150e的開ロ在絕緣層152中形成。在導(dǎo)電層形成為嵌入開口中之后，導(dǎo)電層的一部分通過(guò)蝕刻、CMP等被去除，由此暴露絕緣層152，并且形成電極154a、154b、154c和154d(參見圖6D)。這個(gè)步驟與形成電極150a等的步驟相似；因此，省略詳細(xì)描述。在采用上述方法來(lái)形成晶體管402的情況下，氧化物半導(dǎo)體層140中的氫濃度為小于或等于5 X IO1Vcm3，并且晶體管402的斷態(tài)電流在室溫下為小于或等于I X 10_13A。(在室溫下每I U m溝道寬度的泄漏電流小于或等于IOaA/ u m)。氧化物半導(dǎo)體層中的載流子濃度小于IX 1014/cm3。具有優(yōu)良特性的晶體管402能夠通過(guò)使用這樣的氧化物半導(dǎo)體層140來(lái)得到，該氧化物半導(dǎo)體層140通過(guò)充分降低氫濃度并且提供氧來(lái)高度純化。此外，由于使用除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料所形成的晶體管421設(shè)置在下部，以及使用氧化物半導(dǎo)體所形成的晶體管402設(shè)置在上部，所以有可能制造具有兩個(gè)晶體管的特性的優(yōu)良非易失性鎖存電路以及使用非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。
注意，優(yōu)選的是，在降低氫濃度之后不久將氧提供給氧化物半導(dǎo)體層140，因?yàn)椴淮嬖跉?、水等進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層的可能性，并且因而能夠?qū)崿F(xiàn)具有極有利的特性的氧化物半導(dǎo)體層。不用說(shuō)，用于降低氫濃度的處理以及用于提供氧的處理不需要接連執(zhí)行，只要能夠?qū)崿F(xiàn)具有有利的特性的氧化物半導(dǎo)體層。例如，可在這些處理之間執(zhí)行另一種處理。備選地，這些處理可同時(shí)執(zhí)行。注意，碳化硅(例如4H_SiC)是能夠與氧化物半導(dǎo)體相比的半導(dǎo)體材料。氧化物半導(dǎo)體和4H-SiC具有某些共同方面例如，載流子密度。按照費(fèi)米-迪拉克分布，將氧化物半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子的密度估計(jì)為大約lX10_7/cm3。這個(gè)值極小，與4H-SiC中的6. 7X IO-1Vcm3相似。當(dāng)氧化物半導(dǎo)體的少數(shù)載流子密度與硅的本征載流子密度(大約I. 4X IO1Vcm3)相比吋，能夠很好理解，氧化物半導(dǎo)體的少數(shù)載流子密度相當(dāng)?shù)?。此外，氧化物半?dǎo)體的能帶隙為3. OeV至3. 5eV (包括兩端)，并且4H_SiC的能帶隙為3. 26eV，這表示氧化物半導(dǎo)體和碳化硅都是寬帶隙半導(dǎo)體。另ー方面，在氧化物半導(dǎo)體與碳化硅之間存在主要差異過(guò)程溫度。由于在使用碳化硅的半導(dǎo)體過(guò)程中一般需要在1500°C至2000°C (包括兩端)的熱處理，所以難以形成碳化硅以及使用除了碳化硅之外的半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體元件的堆疊。這是因?yàn)樵谶@樣的高溫度下半導(dǎo)體襯底、半導(dǎo)體元件等被損壞。同時(shí)，氧化物半導(dǎo)體能夠通過(guò)300°C至500°C (包括兩端)(低于或等于玻璃轉(zhuǎn)變溫度，直到大約700°C)的熱處理來(lái)形成；因此，有可能借助于除了氧化物半導(dǎo)體之外的半導(dǎo)體材料來(lái)形成集成電路，并且然后形成包括氧化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件。另外，與碳化硅相比，氧化物半導(dǎo)體是有利的，因?yàn)槟軌蚴褂弥T如玻璃襯底的低耐熱襯底。此外，氧化物半導(dǎo)體是有利的，因?yàn)闊o(wú)需高溫下的熱處理，所以與碳化硅相比，能量成本能夠充分降低。雖然已經(jīng)對(duì)諸如狀態(tài)密度(DOS)的氧化物半導(dǎo)體的物理性質(zhì)進(jìn)行了許多研究，但是它們沒有提出充分降低定域態(tài)(localized state)本身的思想。按照本公開的發(fā)明的一實(shí)施例，高度純化氧化物半導(dǎo)體通過(guò)去除能夠引起定域能級(jí)的水或氫來(lái)形成。這是基于充分降低定域態(tài)本身的思想的。因此，能實(shí)現(xiàn)極優(yōu)良工業(yè)產(chǎn)品的制造。
此外，還能夠通過(guò)將氧提供給通過(guò)氧空位所生成的金屬的懸空鍵并且降低因氧空位而引起的定域能級(jí)，來(lái)得到更為高度純化(i型)的氧化物半導(dǎo)體。例如，包含過(guò)剩氧的氧化膜形成為與溝道形成區(qū)緊密接觸，并且然后氧從氧化膜提供給溝道形成區(qū)，從而因缺氧而引起的定域能級(jí)能夠降低。氧化物半導(dǎo)體的缺陷被認(rèn)為歸因于因過(guò)剩氫而引起的導(dǎo)帶下的0. IeV至0. 2eV(包括兩端)的淺能級(jí)、因缺氧等而引起的深能級(jí)等。徹底去除氫并且充分提供氧以用于消除這種缺陷，這作為ー種技術(shù)思想是正確的。氧化物半導(dǎo)體一般被認(rèn)為是n型半導(dǎo)體；但是，按照本公開的發(fā)明的ー實(shí)施例，i型半導(dǎo)體通過(guò)去除雜質(zhì)、特別是水和氫來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這方面，能夠說(shuō)，本公開的發(fā)明的ー個(gè)實(shí)施例包括新技術(shù)思想，因?yàn)樗煌趇型半導(dǎo)體(諸如添加有雜質(zhì)的硅)。以上描述了該示例，其中，在非易失性鎖存電路400的元件之中，除了使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管402之外的元件，將除了氧化物半導(dǎo)體之外的材料用作半導(dǎo)體材料。但是， 本公開的發(fā)明并不局限于該示例。氧化物半導(dǎo)體能夠用作除了包括在非易失性鎖存電路400之中的晶體管402之外的元件的半導(dǎo)體材料。<使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的導(dǎo)電機(jī)制>
將參照?qǐng)D7、圖8、圖9A和圖9B以及圖10來(lái)描述使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的導(dǎo)電機(jī)制。注意，以下描述為了易于理解而基于理想情況，而不一定完全反映實(shí)際情況。還要注意，以下描述僅僅是考慮事項(xiàng)，而沒有影響本發(fā)明的有效性。圖7是使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管(薄膜晶體管)的截面圖。氧化物半導(dǎo)體層(OS)隔著柵極絕緣層(GI)設(shè)置在柵電極(GEl)之上，并且源電極(S)和漏電極(D)設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體層之上。絕緣層設(shè)置成使得覆蓋源電極(S)和漏電極(D)。圖8是圖7的截面A-A’的能帶圖(示意圖)。圖8中，黑圓圈( )和白圓圈(〇)分別表示電子和空穴，并且分別具有電荷(_q，+q)。通過(guò)施加到漏電極的正電壓(VD>0)，虛線示出沒有電壓施加到柵電極的情況(\=0)，以及實(shí)線示出正電壓施加到柵電極的情況(VG>0)o在沒有電壓施加到柵電極的情況下，載流子(電子)由于高電位勢(shì)壘而沒有從電極注入到氧化物半導(dǎo)體側(cè)，使得電流沒有流動(dòng)，這表示斷態(tài)。另ー方面，當(dāng)正電壓施加到柵電極時(shí)，電位勢(shì)壘降低，并且因而電流流動(dòng)，這表示通態(tài)。圖9A和圖9B是圖7的橫截面B-B’的能帶圖(示意圖)。圖9A示出其中正電壓(VG>0)施加到柵電極(GEl)并且載流子(電子)在源電極與漏電極之間流動(dòng)的通態(tài)。圖9B示出其中負(fù)電壓(\〈0)施加到柵電極(GEl)并且少數(shù)載流子沒有流動(dòng)的斷態(tài)。圖10示出真空能級(jí)與金屬的功函數(shù)((K)之間以及真空能級(jí)與氧化物半導(dǎo)體的電子親和カ(X )之間的關(guān)系。在正常溫度下，金屬中的電子退化，并且費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶中。另ー方面，常規(guī)氧化物半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體，其中費(fèi)米能級(jí)(Ef)遠(yuǎn)離位于帶隙中間的本征費(fèi)米能級(jí)(Ei),并且位于更接近導(dǎo)帶。注意，已知的是，氫的一部分是氧化物半導(dǎo)體中的施體，并且是引起氧化物半導(dǎo)體作為n型半導(dǎo)體的ー個(gè)要素。另ー方面，按照本公開的發(fā)明的ー實(shí)施例的氧化物半導(dǎo)體是按照以下方式來(lái)得到的本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征氧化物半導(dǎo)體從氧化物半導(dǎo)體去除作為n型氧化物半導(dǎo)體的要素的氫，并且純化氧化物半導(dǎo)體，使得盡可能少地包含除了氧化物半導(dǎo)體的主要成分之外的元素(即，雜質(zhì)元素)。也就是說(shuō)，特征在干，不是通過(guò)添加雜質(zhì)元素，而是通過(guò)盡可能多地去除諸如氫和水的雜質(zhì)，來(lái)得到高度純化的i型(本征)半導(dǎo)體或者與其接近的半導(dǎo)體。因此，費(fèi)米能級(jí)(Ef)能夠比得上本征費(fèi)米能級(jí)(EiX據(jù)說(shuō)，氧化物半導(dǎo)體的帶隙(Eg)為3. 15eV,以及其電子親和力(x )為4. 3eV。源電極和漏電極中包含的鈦(Ti)的功函數(shù)大致等于氧化物半導(dǎo)體的電子親和力(X )。在這種情況下，在金屬與氧化物半導(dǎo)體之間的界面處沒有形成電子的肖特基勢(shì)壘。在那時(shí)，如圖9A所示，電子在柵極絕緣層與高度純化氧化物半導(dǎo)體之間的界面附近移動(dòng)(在能量方面穩(wěn)定的氧化物半導(dǎo)體的最低部分)。另外，如圖9B所示，當(dāng)負(fù)電位施加到柵電極(GEl)時(shí)，電流的值非常接近零，因?yàn)樽鳛樯贁?shù)載流子的空穴的數(shù)目基本上為零。以這樣的方式，本征(i型)或者實(shí)質(zhì)本征氧化物半導(dǎo)體通過(guò)高度純化成使得盡可能少地包含除了其主要成分之外的元素(即，雜質(zhì)元素)來(lái)得到。因此，氧化物半導(dǎo)體與柵極 絕緣層之間的界面的特性變得重要。為此，柵極絕緣層需要能夠形成與氧化物半導(dǎo)體的有利界面。具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選的是使用例如下列絕緣層通過(guò)CVD方法形成的絕緣層，該CVD方法使用采用VHF頻帶至微波頻帶的范圍之內(nèi)的電源頻率而生成的高密度等離子體，或者通過(guò)濺射方法形成的絕緣層。當(dāng)氧化物半導(dǎo)體被高度純化同時(shí)在氧化物半導(dǎo)體與柵極絕緣層之間形成有利界面時(shí),例如,在晶體管的溝道寬度W為IX IO4Ii m以及溝道長(zhǎng)度L為3 ii m的情況下,在室溫下有可能實(shí)現(xiàn)IX 10_13A或以下的斷態(tài)電流以及0. lV/dec.的亞閾值擺動(dòng)(S值)(柵極絕緣層厚度為lOOnm)。當(dāng)氧化物半導(dǎo)體如上所述被高度純化成使得盡可能少地包含除了其主要元素之外的元素(即，雜質(zhì)元素)時(shí)，薄膜晶體管能夠按照有利方式進(jìn)行操作。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剩余極化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易失性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。這個(gè)實(shí)施例能夠與其它實(shí)施例自由組合。(實(shí)施例2)
在本實(shí)施例中，將參照?qǐng)DIlA和IlB和圖12來(lái)描述作為本公開的發(fā)明的實(shí)施例的非易失性鎖存電路的配置和操作。圖IlA示出非易失性鎖存電路400的配置。圖IlB示出一部分非易失性鎖存電路400的配置。圖12為非易失性鎖存電路400的時(shí)序圖的示例。圖IlA示出圖I中鎖存電路400的配置的示例，其中第一反相器用作第一元件412而第二反相器用作第二元件413。第一晶體管431和第二晶體管432能具有類似于實(shí)施例I中示出的結(jié)構(gòu)。即，作為第一晶體管431和第二晶體管432，有可能使用晶體管，其使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。在圖IlA中示出的非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(第一反相器)412的輸出電連接至第二元件(第二反相器)413的輸入，并且第二元件(第二反相器)413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(第一反相器)412的輸入。第一元件(第一反相器)412的輸入電連接至通過(guò)第一晶體管431施加有輸入信號(hào)的布線414。第一元件(第一反相器)412的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線415。施加有輸入信號(hào)的布線414為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從前ー級(jí)電路輸入至非易失性鎖存電路400。施加有輸出信號(hào)的布線415為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從非易失性鎖存電路400輸出至后ー級(jí)電路。在非易失性鎖存電路400中，各使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件。此外，非易失性鎖存電路400包括電 連接至第一晶體管431和第二晶體管432的源電極或漏電極的電容器404。S卩，電容器404的一個(gè)電極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一,并且電容器404的一個(gè)電極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。第一晶體管431的源電極和漏電極的另一個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線414。第二晶體管432的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第二元件(第二反相器)413的輸出。施加電位Vc至電容器404的另ー個(gè)電極。連接至第一兀件(第一反相器)412的結(jié)點(diǎn)輸入稱為結(jié)點(diǎn)S。如圖IlB中所示，包括在非易失性鎖存電路400中的第一元件(第一反相器)412至少包括第三晶體管421。第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(第一反相器)412的輸入。即，第三晶體管421的柵極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。此外，第三晶體管421的柵極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一。第一晶體管431和第二晶體管432能具有在圖2A或圖2B中示出的結(jié)構(gòu)，取代圖IlA中示出的結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)IN的電位從前一級(jí)電路施加至布線414。布線415的電位作為輸出信號(hào)OUT施加到后ー級(jí)電路。信號(hào)小I的電位施加至第一晶體管431。信號(hào)￠2的電位施加至第二晶體管432。在高電平電位施加至信號(hào)小I時(shí)，第一晶體管431被導(dǎo)通。在高電平電位施加至信號(hào)￠2時(shí)，第二晶體管432被導(dǎo)通。雖然描述是在第一晶體管431和第二晶體管432都是n型晶體管的情況下做出的，但它們可以是p型晶體管。在正常操作周期，高電平電源電壓VDD和低電平電源電壓VSS施加至包括在鎖存電路400中的第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413。將參照?qǐng)D12來(lái)描述非易失性鎖存電路400的數(shù)據(jù)寫入、保存以及讀取操作。圖12示出在非易失性鎖存電路400操作的周期(操作周期)期間、以及在非易失性鎖存電路400不操作的周期(非操作周期)期間得到的信號(hào)小I、信號(hào)小2、輸入信號(hào)IN以及輸出信號(hào)OUT的電位的時(shí)序圖的示例。圖12還示出鎖存電路400中的結(jié)點(diǎn)S的電位和施加至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413的電源電壓VDD的電位。注意，預(yù)定的電位Vc (例如接地電位)施加至電容器404的另ー個(gè)電極。在圖12中，周期a、周期k周期ゴ以及周期e為其間鎖存電路400操作的周期(操作周期):電源電壓VDD和電源電壓VSS施加至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413。周期c為其間鎖存電路400沒有操作的周期(非操作周期)停止供應(yīng)電源電壓至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413并且降低電源電壓VDD。周期a和周期e為鎖存電路400的正常操作周期，其間高電平電位和低電平電位交替地施加至信號(hào)小I和信號(hào)小2。在信號(hào)小I的電位處于高電平時(shí)，信號(hào)小2的電位處于低電平，以及信號(hào)小I的電位處于低電平時(shí)時(shí)，信號(hào)小2的電位處于高電平。SP，信號(hào)4>1和信號(hào)小2具有反相關(guān)系。周期6為直到非操作周期的準(zhǔn)備周期。周期6也稱為下降周期。周期ゴ為非操作周期之后且直到從電カ供應(yīng)開始的正常操作周期為止的準(zhǔn)備周期。周期ゴ也稱為上升周期。
在正常的操作周期(周期a)中，在高電平電位施加至信號(hào)￠1以及低電平電位施加至信號(hào)小2吋，第二晶體管432截止，使得當(dāng)?shù)谝痪w管431導(dǎo)通時(shí)鎖存電路400的循環(huán)結(jié)構(gòu)(也稱為反相器循環(huán))被切斷，由此輸入信號(hào)的電位被輸入至第一元件(第一反相器)412。輸入信號(hào)的電位由第一兀件(第一反相器)412反相，并且作為輸出信號(hào)OUT施加至后ー級(jí)電路。在高電平電位施加至信號(hào)小I并且輸入信號(hào)具有高電平電位時(shí)，能得到具有低電平電位的輸出信號(hào)。在高電平電位施加至信號(hào)小I并且輸入信號(hào)具有低電平電位時(shí)，能得到具有高電平電位的輸出信號(hào)。在低電平電位施加至信號(hào)小I并且高電平電位施加至信號(hào)小2時(shí)，第一晶體管431截止，并且第二晶體管432導(dǎo)通，使得形成反相器循環(huán)，由此保存輸出信號(hào)OUT的電位(鎖存數(shù)據(jù)，即，保存鎖存電路的邏輯狀態(tài))。結(jié)點(diǎn)S示出第一反相器的輸入的電位，其為正常的操作周期中的輸出信號(hào)OUT的反相電位。第一元件(第一反相器)412的輸入電連接至電容器404的一個(gè)電極和第三晶體管421的柵極。因此，每次數(shù)據(jù)被寫入至鎖存電路時(shí)，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的電荷在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚。換言之，鎖存電路400的數(shù)據(jù)自動(dòng)地寫入至非易失性鎖存(數(shù)據(jù)寫入)。對(duì)應(yīng)于電位的電荷在電容器404的一個(gè)電極和第三晶體管421 (結(jié)點(diǎn)S)的柵極中積聚。在在非操作周期之前的準(zhǔn)備周期(周期/O中，使第一晶體管431和第二晶體管432截止的電位(低電平電位)施加至信號(hào)小I和信號(hào)小2，由此第一晶體管431和第二晶體管432截止，并且結(jié)點(diǎn)S進(jìn)入浮態(tài)。因此，在結(jié)點(diǎn)S中積聚的電荷被保存(數(shù)據(jù)保存)。隨后，停止供應(yīng)電源電壓至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413，以降低電源電壓VDD;然后，非操作周期(周期c)開始。在非操作周期(周期c)中，輸入信號(hào)IN和輸出信號(hào)OUT可具有VDD和VSS之間的任意值。這里，使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性以及相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流的晶體管作為第一晶體管431和第二晶體管432 ;因此，甚至在已經(jīng)停止向鎖存電路400供應(yīng)電源電壓之后(周期C)，在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷(積聚在結(jié)點(diǎn)S中的電荷)也能保持為被保存。因此，在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至鎖存電路400之后，能存儲(chǔ)鎖存電路400的邏輯狀態(tài)。注意，在電源電壓VDD降低時(shí)，由于與電源電壓的電容耦合的影響，結(jié)點(diǎn)S的電位在某些情況下稍微變化。不用說(shuō)，因?yàn)樵诮Y(jié)點(diǎn)S中積聚的電荷保持為被保存，所以當(dāng)重新開始供應(yīng)電源電壓VDD時(shí)，結(jié)點(diǎn)S的電位恢復(fù)至原始電平。電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至第一元件(第一反相器)412的輸入。因此，在重新開始供應(yīng)電源電壓給至少鎖存電路400的第一元件(第一反相器)412之后(周期め，輸出信號(hào)OUT的電位通過(guò)在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷(寫入的數(shù)據(jù))來(lái)確定。即，能讀取寫入至電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)讀取)。因此，鎖存電路的邏輯狀態(tài)能恢復(fù)至非操作周期之前。隨后，施加高 電平電位至信號(hào)小2。在施加高電平電位至信號(hào)￠2時(shí)，第二晶體管432導(dǎo)通，并且形成反相器循環(huán)。在形成反相器循環(huán)時(shí)，施加高電平或低電平電位至輸出信號(hào)OUT和結(jié)點(diǎn)S，并且然后保存(鎖存數(shù)據(jù))。例如，在長(zhǎng)時(shí)間停止供應(yīng)電カ的情況下，由于積聚在結(jié)點(diǎn)S (電容器404和第三晶體管421的柵極電容)中的電荷量的下降，結(jié)點(diǎn)S的電位可能從高電平電位或低電平電位稍微偏移。甚至在那種情況下，也重新施加高電平電位或低電平電位；因此，結(jié)點(diǎn)S的電位能恢復(fù)至偏移之前的電位(也稱為重寫操作)。特別在電容器404和第三晶體管421的柵極電容具有較低的電容時(shí)，該操作是有效的。注意，在周期ゴ中，不需要設(shè)置其間施加高電平電位至信號(hào)￠2的周期。隨后，施加高電平電位和低電平電位至信號(hào)￠1和信號(hào)￠2，使得正常操作周期(周期d開始。在正常的操作周期(周期幻開始時(shí)，信號(hào)￠1和信號(hào)￠2可具有與先前的正常操作周期(周期a)完成時(shí)同樣的電位(同樣的狀態(tài))，或可具有周期a完成時(shí)的電位的反相電位(下一個(gè)狀態(tài))。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剰余極化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易施性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。本實(shí)施例能夠與其它實(shí)施例自由組合。(實(shí)施例3)
在本實(shí)施例中，將參照?qǐng)D13A和13B來(lái)描述作為本公開的發(fā)明的實(shí)施例的非易失性鎖存電路的操作。非易失性鎖存電路具有與圖IlA和圖IlB中示出的同樣的配置，并且其時(shí)序圖與圖12中的不同。圖13A示出在非易失性鎖存電路400操作的周期(操作周期)以及非易失性鎖存電路400沒有操作的周期(非操作周期)期間得到的信號(hào)小I、信號(hào)小2、輸入信號(hào)IN以及輸出信號(hào)OUT的電位的時(shí)序圖的示例。圖13A還示出鎖存電路400中結(jié)點(diǎn)S的電位，施加電源電壓VDD的電位至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413以及電容器404的另ー個(gè)電極的電位Vc。在圖13A中，周期a、周期k周期ゴ以及周期e為在鎖存電路400操作的期間的周期(操作周期)電源電壓VDD和電源電壓VSS施加至第一元件(第一反相器)412以及第二元件(第二反相器)413。周期c為在鎖存電路400沒有操作的期間的周期(非操作周期):停止對(duì)第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413的電源電壓供應(yīng)，并且降低電源電壓VDD。周期a和周期e是鎖存電路400的正常操作周期，其間高電平電位和低電平電位交替地施加至信號(hào)小I和信號(hào)小2。在電位信號(hào)I處于高電平時(shí)，信號(hào)4>2處于低電平，并且在信號(hào)小I的電位處于低電平時(shí)，信號(hào)小2的電位處于高電平。即，信號(hào)小I和信號(hào)￠2具有反相關(guān)系。周期b為直到非操作周期的準(zhǔn)備周期。周期b也稱為下降周期。周期d為非操作周期之后直到從電カ供應(yīng)開始的操作周期為止的準(zhǔn)備周期。周期d也稱為上升周期。在圖13A中，周期a和周期ゐ中 的操作與圖12中的類似。隨后，停止供應(yīng)電源電壓至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413，以降低電源電壓VDD ;然后，非操作周期(周期c)開始。在非操作周期中(周期c)中，輸入信號(hào)IN和輸出信號(hào)OUT可具有在VDD和VSS之間的任意值。這里，使用氧化物半導(dǎo)體層作為溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流的晶體管用作第一晶體管431和第二晶體管432 ;因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至鎖存電路400之后(周期C)，在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷(結(jié)點(diǎn)S中積聚的電荷)能保持為被保存。因此，在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至鎖存電路400之后，能夠存儲(chǔ)鎖存電路400的邏輯狀態(tài)。注意，在電源電壓VDD降低時(shí)，由于與電源電壓的電容耦合的影響，結(jié)點(diǎn)S的電位在某些情況下稍微變化。因?yàn)樵诮Y(jié)點(diǎn)S中積聚的電荷保持為被保存，所以不用說(shuō)，在重新開始供應(yīng)電源電壓VDD時(shí)，結(jié)點(diǎn)S的電位恢復(fù)至原始電平。隨后，電容器404的另ー個(gè)電極的電位Vc設(shè)置為預(yù)定的電位。電位Vc設(shè)置為從低電平升高的電位以及在低電平和高電平之間的電位。因此，電容器404的另ー個(gè)電極的電位Vc的增加被添加至施加到結(jié)點(diǎn)S的電位。在該狀態(tài)(周期め中，在電源電壓施加至第一元件(第一反相器)412和第二元件(第二反相器)413時(shí)，通過(guò)在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷來(lái)確定輸出信號(hào)OUT的電位。即，能讀取寫入至電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)讀取)。因此，鎖存電路的邏輯狀態(tài)能恢復(fù)至非操作周期之前的邏輯狀態(tài)。如上所述，在重新開始供應(yīng)電源電壓至第一元件(第一反相器)412以及讀取電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷(寫入的數(shù)據(jù))時(shí)的定吋，電容器404的另ー個(gè)電極的電位Vc被設(shè)置為預(yù)定的電位，由此能更穩(wěn)定地執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取。例如，在長(zhǎng)時(shí)間停止電カ供應(yīng)的情況下，由于電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷量的降低，結(jié)點(diǎn)S的電位可能從如圖13B所示的高電平電位稍微地偏移，從而可能降低數(shù)據(jù)讀取的穩(wěn)定性。特別在電容器404和第三晶體管421的柵極電容具有較低的電容時(shí)，這樣的現(xiàn)象很可能發(fā)生。甚至在那種情況下，如圖13A和圖13B所示，通過(guò)設(shè)置電容器404的另ー個(gè)電極的電位Vc至預(yù)定的電位，電容器404和第三晶體管421的柵電極的電位能被控制為合適的電位。因此，能穩(wěn)定地執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取。即，在電容器的尺寸減小時(shí)使能夠操作，這達(dá)到微型化。另外，能進(jìn)ー步增加數(shù)據(jù)保存周期。隨后，施加高電平電位至信號(hào)小2。在高電平電位施加至信號(hào)￠2時(shí)，第二晶體管432導(dǎo)通，并且形成反相器循環(huán)。在形成反相器循環(huán)時(shí)，高電平或低電平電位施加至輸出信號(hào)OUT和結(jié)點(diǎn)S，并且然后保存(鎖存數(shù)據(jù))。在這時(shí)，甚至在結(jié)點(diǎn)S的電位從高電平電位或低電平電位稍微地偏移時(shí)，重新施加高電平電位或低電平電位；因此，結(jié)點(diǎn)S的電位能恢復(fù)至偏移之前的電平(也稱為重寫操作)。在結(jié)點(diǎn)S的電位恢復(fù)至偏移之前的電平之后(在重寫操作之后)，Vc的電位恢復(fù)至原始電平。隨后，高電平電位和低電平電位施加至信號(hào)￠1和信號(hào)￠2，從而正常的操作周期(周期d開始。在正常的操作周期(周期幻開始時(shí)，信號(hào)￠1和信號(hào)￠2可具有與先前的正常操作周期(周期幻完成時(shí)同樣的電位(同樣的狀態(tài))，或可具有周期a完成時(shí)的反相電位(下一個(gè)狀態(tài))。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因 此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剰余極化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易施性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。本實(shí)施例能與其它實(shí)施例自由地組合。(實(shí)施例4)
在本實(shí)施例中，將參照?qǐng)D14來(lái)描述本公開的發(fā)明的實(shí)施例的非易失性鎖存電路的配置的示例，該示例不同于圖I的示例。圖14示出非易失性鎖存電路400的配置。除了沒有設(shè)置電連接至第一元件(Dl)412的輸入的電容器(圖I中的電容器404)之外，圖14中的配置跟圖I中的一祥。S卩，圖14中示出的非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(Dl)412的輸出電連接至第二元件(D2)413的輸入，并且第二元件(D2)413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。第一元件(Dl) 412的輸入電連接至通過(guò)第一晶體管431施加有輸入信號(hào)的布線414。第一兀件(Dl) 412的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線415。施加有輸入信號(hào)的布線414為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從前ー級(jí)電路輸入至非易失性鎖存電路400。施加有輸出信號(hào)的布線415為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從非易失性鎖存電路400輸出至下ー級(jí)電路。在非易失性鎖存電路400中，各使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件。第一晶體管431和第二晶體管432能具有類似于實(shí)施例I中示出的結(jié)構(gòu)。即，作為第一晶體管431和第二晶體管432，有可能采用晶體管，該晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。在上述配置中，包括在非易失性鎖存電路中400中的第一元件412包括至少第三晶體管421。第三晶體管421的柵極電連接至第一元件412的輸入。即，第三晶體管421的柵極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。此外，第三晶體管421的柵極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一。第一晶體管431的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線。第二晶體管432的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第ニ元件的輸出。第一晶體管431和第二晶體管432能具有在圖2A或圖2B中示出的結(jié)構(gòu)，取代在圖14中示出的結(jié)構(gòu)。在具有圖14中示出的配置的非易失性鎖存電路中，數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)讀取能按照以下的方式執(zhí)行。如上所述，非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(Dl) 412的輸出電連接至第二元件(D2) 413的輸入，并且第二元件(D2) 413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。第三晶體管421的柵極電容電連接至循環(huán)結(jié)構(gòu)中預(yù)定的位置。具體地，第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。按照這種方式，第三晶體管421的柵極電容電連接至非易失性鎖存電路400的循環(huán)結(jié)構(gòu)中的預(yù)定的位置。因此，每次數(shù)據(jù)被寫入至鎖存電路時(shí)，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的電荷在第三晶體管421的柵極電容中積聚。換言之，鎖存電路400的數(shù)據(jù)自動(dòng)地寫至非易失性鎖存(數(shù)據(jù)寫入)。能類似地執(zhí)行數(shù)據(jù)重寫。寫入至第三晶體管421柵極電容中的數(shù)據(jù)，換言之，在第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷，能通過(guò)施加電位至第一晶體管431的柵極和第二晶體管432的柵極來(lái)保存，從而第一晶體管431和第二晶體管432截止(數(shù)據(jù)保存)。這里，用作第一晶體管431和第二晶體管432的晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)，并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至包括在鎖存電路400中的至少第一元件(Dl) 412和第二元件(D2) 413之后，柵極電容中積聚的電荷也能保持為被保存。因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓之后，鎖存電路400的邏輯狀態(tài)也能保持為被存儲(chǔ)。第三晶體管421的柵極電容電連接至第一元件(Dl) 412的輸入。因此，在重新開始供應(yīng)電源電壓至鎖存電路400的至少第一元件(Dl) 412之后，通過(guò)在第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷來(lái)確定輸出信號(hào)OUT的電位。即，能讀取寫入至第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)讀入)。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剩余極化保存數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易施性鎖存 電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。本實(shí)施例能夠與其它實(shí)施例自由組合。(實(shí)施例5)
在本實(shí)施例中，將參照?qǐng)D15來(lái)描述作為本公開的發(fā)明的實(shí)施例的非易失性鎖存電路的配置的示例，其不同于圖IlA和11B。圖15示出非易失性鎖存電路400的配置。圖15中的配置與圖IlA和圖IlB中的一祥，除了不設(shè)置連接至結(jié)點(diǎn)S的電容器(圖IlA中的電容器404)之外。圖15示出圖14中的鎖存電路400的配置的示例，其中第一反相器用作第一元件412而第二反相器用作第二元件413。第一晶體管431和第二晶體管432能具有類似于實(shí)施例I中示出的結(jié)構(gòu)。即，作為第一晶體管431和第二晶體管432，有可能使用晶體管，該晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。 在圖15中示出的非易失性鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(第一反相器)412的輸出電連接至第二元件(第二反相器)413的輸入，并且第二元件(第二反相器)413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(第一反相器)412的輸入。第一元件(第一反相器)412的輸入通過(guò)第一晶體管431電連接至施加有輸入信號(hào)的布線414。第一元件(第一反相器)412的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線415。施加有輸入信號(hào)的布線414為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從前ー級(jí)電路輸入至非易失性鎖存電路400。施加有輸出信號(hào)的布線415為提供有信號(hào)的布線，該信號(hào)從非易失性鎖存電路400輸出至后ー級(jí)電路。在非易失性鎖存電路400中，各使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件。包括在非易失性鎖存電路400中的第一元件(第一反相器)412包括至少第三晶體管421。第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(第一反相器)412的輸入。S卩，第三晶體管421的柵極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。此外，第三晶體管421的柵極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一。第一晶體管431的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線414。第二晶體管432的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第二元件(第二反相器)413的輸出。連接至第一元件(第一反相器)412的輸入的結(jié)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)S。第一晶體管431和第二晶體管432能具有圖2A或圖2B中示出的結(jié)構(gòu)，取代在圖15中示出的結(jié)構(gòu)。非易失性鎖存電路400的數(shù)據(jù)寫入、保存以及讀取操作與圖IlA和圖IlB (圖12、圖13A和圖13B及其描述)中示出的鎖存電路400的類似。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剰余極化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易施性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。本實(shí)施例能夠與其它實(shí)施例自由組合。(實(shí)施例6)
在本實(shí)施例中，將參照?qǐng)D16A至圖16C來(lái)描述包括各為本公開的發(fā)明的實(shí)施例的多個(gè)非易失性鎖存電路的邏輯電路的配置。圖16A示出包括兩個(gè)非易失性鎖存電路400的邏輯電路的配置。本邏輯電路稱為D-FF,并且例如用作CPU或多種邏輯電路中的寄存器。圖16B示出非易失性鎖存電路400的一部分的配置。圖16A示出圖I中的鎖存電路400的配置的示例，其中NAND用作第一元件，而拍 頻反相器用作第二元件。S卩，鎖存電路400具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件(NAND)412的輸出電連接至第二元件(拍頻反相器)413的輸入，并且第二元件(拍頻反相器)413的輸出通過(guò)第二晶體管432電連接至第一元件(NAND) 412的輸入。第一元件(NAND) 412的輸入之一電連接至通過(guò)第一晶體管431施加有輸入信號(hào)的布線414。第一元件(NAND) 412的輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線415。第一元件(NAND) 412的另ー個(gè)輸入電連接至施加有信號(hào)RSTB的布線。時(shí)鐘信號(hào)以及反相時(shí)鐘信號(hào)施加至第二元件(拍頻反相器)413。第一晶體管431和第二晶體管432能具有類似于實(shí)施例I中示出的結(jié)構(gòu)。即，作為第一晶體管431和第二晶體管432，能夠使用晶體管，該晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。在非易失性鎖存電路中400中，第一晶體管431和第二晶體管432用作開關(guān)元件。此外，非易失性鎖存電路400包括電連接至第一晶體管431和第二晶體管432的源電極或漏電極的電容器404。即，電容器404的該ー個(gè)電極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一，并且電容器404的一個(gè)電極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。第一晶體管431的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至施加有輸入信號(hào)的布線。第二晶體管432的源電極和漏電極的另ー個(gè)電連接至第二元件的輸出。電位Vc施加至電容器404的另ー個(gè)電極。在上述配置中，包括在非易失性鎖存電路400中的第一元件(NAND) 412至少包括如圖16B中示出的第三晶體管421。第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(NAND) 412的輸入。即，第三晶體管421的柵極電連接至第二晶體管432的源電極和漏電極之一。此夕卜，第三晶體管421的柵極電連接至第一晶體管431的源電極和漏電極之一。第一晶體管431和第二晶體管432能具有在圖2A或圖2B中示出的結(jié)構(gòu)，取代在圖16A中示出的結(jié)構(gòu)。如上所述，在非易失性鎖存電路400中，電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至循環(huán)結(jié)構(gòu)中預(yù)定的位置。具體地，電容器404的一個(gè)電極和第三晶體管421的柵極電連接至第一元件(NAND) 412的輸入。按照這種方式，電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至非易失性鎖存電路400的循環(huán)結(jié)構(gòu)中預(yù)定的位置。因此，每次數(shù)據(jù)被寫入至鎖存電路，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的電荷在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚。換言之，鎖存電路400的數(shù)據(jù)自動(dòng)地積聚寫入至非易失性鎖存(數(shù)據(jù)寫入)。能類似地執(zhí)行數(shù)
據(jù)重寫。寫入至電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)，換言之，在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷，能通過(guò)施加電位至第一晶體管431的柵極和第ニ晶體管432的柵極來(lái)保存，由此第一晶體管431和第二晶體管432截止(數(shù)據(jù)保存)。這里，用作第一晶體管431和第二晶體管432的晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)，并且具有常斷特性并且相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓至包括在鎖存電路400中的至少第一元件(NAND)412和第二元件(拍頻反相器)413之后，電容器中積聚的電荷能保持為被保存。因此，甚至在已經(jīng)停止供應(yīng)電源電壓之后，鎖存電路400的邏輯狀態(tài)能保持為被存儲(chǔ)。電容器404和第三晶體管421的柵極電容電連接至第一元件(NAND) 412的輸入。 因此，在重新開始供應(yīng)電源電壓至鎖存電路400的至少第一元件(NAND)412之后，輸出信號(hào)OUT的電位通過(guò)在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中積聚的電荷來(lái)確定。即，能讀取寫入電容器404和第三晶體管421的柵極電容的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)讀取)。在圖16A中示出的邏輯電路包括上述的兩個(gè)非易失性鎖存電路400。非易失性鎖存電路400電連接至從前ー級(jí)電路對(duì)其施加有輸入信號(hào)的電位的布線414。施加有非易失性鎖存電路400的輸出信號(hào)的電位的布線417電連接至施加有非易失性鎖存電路400的輸入信號(hào)的電位的布線416。非易失性鎖存電路400電連接至布線415，從該布線415向后一級(jí)電路施加有輸出信號(hào)的電位。雖然圖16A示出其中鎖存電路400的數(shù)據(jù)保存在電容器404和第三晶體管421的柵極電容中的示例，但僅僅能使用第三晶體管421的柵極電容，沒有使用另ー個(gè)電容器(電容器404)。在那種情況下，在鎖存電路400中，不需要設(shè)置電容器404。在圖16A中示出的鎖存電路400中，第二元件(拍頻反相器)413可具有圖16C中示出的配置。在圖16C中的第二元件(拍頻反相器)413包括電連接至第二元件(拍頻反相器)413的輸入和輸出的晶體管442和晶體管443，電連接至高電平電源電壓VDD的晶體管441，以及電連接至低電平電源電壓VSS的晶體管444。晶體管441和晶體管444各作為用于控制電源電壓的供應(yīng)和停止的開關(guān)而起作用。時(shí)鐘信號(hào)小和反相時(shí)鐘信號(hào)分別施加至晶體管441的柵極和晶體管444的柵極。這里，作為包括在圖16C中的第二元件(拍頻反相器)413中的晶體管441和晶體管444，有可能使用晶體管，該晶體管使用氧化物半導(dǎo)體層用于溝道形成區(qū)并且具有常斷特性和相當(dāng)?shù)偷臄鄳B(tài)電流。因此，在使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶體管，用作作為用于控制第二元件(拍頻反相器)413的電源電壓的供應(yīng)和停止的開關(guān)而起作用的晶體管441和晶體管444吋，能夠中斷通過(guò)鎖存電路400的電流通路。在使用圖16C的配置的情況下，在鎖存電路中不需要設(shè)置第二晶體管432。S卩，在使用圖16C的配置的情況下，第二晶體管432不需要在鎖存電路400中設(shè)置。根據(jù)本實(shí)施例，晶體管被用作開關(guān)元件并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，該晶體管使用具有將被高度純化的充分低的氫濃度并且具有充分低的載流子濃度的、本征(i型)或?qū)嵸|(zhì)本征(i型)氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料；因此，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的非易失性鎖存電路，其在寬溫度范圍內(nèi)操作、并且甚至在高溫下穩(wěn)定操作，并且其中存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)甚至在切斷電カ時(shí)也沒有被擦除，或具有充分長(zhǎng)的刷新時(shí)間和數(shù)據(jù)保存特性的鎖存電路。此外，因?yàn)樵陔娙萜髦蟹e聚的電荷保存為數(shù)據(jù)，所以與通過(guò)剩余極化保存數(shù)據(jù)的情況相比，能用更小的變化容易地讀取數(shù)據(jù)。各種邏輯電路能夠通過(guò)使用非易失性鎖存電路來(lái)提供。例如，使用非易施性鎖存電路的邏輯電路的功率消耗能夠通過(guò)切斷未使用塊的電力來(lái)降低。另外，由于甚至在切斷電カ時(shí)也存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，所以系統(tǒng)能夠以高速度和低功率在接通電カ時(shí)啟動(dòng)或者在切斷電カ時(shí)終止。這個(gè)實(shí)施例能夠與其它實(shí)施例自由組合。(實(shí)施例7)
隨后，將參照?qǐng)D17A至圖17E來(lái)描述使用氧化物半導(dǎo)體、能夠用作上述實(shí)施例(諸如實(shí)施例I或?qū)嵤├?)中的晶體管402的晶體管的制造方法的另ー個(gè)示例。在這個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于使用高度純化的氧化物半導(dǎo)體(特別是具有非晶結(jié)構(gòu))的情況進(jìn)行詳細(xì)描述。雖然在以下描述中使用頂柵晶體管作為示例，但是晶體管的結(jié)構(gòu)并不局限于此。 首先，絕緣層202在底部襯底200之上形成。然后，氧化物半導(dǎo)體層206在絕緣層202之上形成(參見圖17A)。在這里，底部襯底200對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例中示出的包括下部的晶體管421等的襯底。關(guān)于底部襯底200的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，底部襯底200的表面優(yōu)選地盡可能平坦。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方面，表面可經(jīng)受CMP等，以使得具有5nm或更小、優(yōu)選地為Inm或更小的峰谷高度，或者2nm或更小、優(yōu)選地為0. 4nm或更小的均方根粗糙度(RMS)。絕緣層202用作基底，并且能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中所示的絕緣層138、保護(hù)絕緣層144等相似的方式來(lái)形成。關(guān)于絕緣層202的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，優(yōu)選的是形成絕緣層202，以使得包含盡可能少的氫或水。能夠使用以下材料來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層206 :作為四金屬元素氧化物的In-Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為三金屬元素氧化物的In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、In-Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、AI -Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體或Sn-A I -Zn-O基氧化物半導(dǎo)體；作為ニ金屬元素氧化物的In-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Al-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體、Zn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體或In-Mg-O基氧化物半導(dǎo)體；或者In-O基氧化物半導(dǎo)體、Sn-O基氧化物半導(dǎo)體或Zn-O基氧化物半導(dǎo)體。具體地，當(dāng)不存在電場(chǎng)吋，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料具有充分高的電阻，并且因而能夠得到充分低的斷態(tài)電流。另外，具有高場(chǎng)效應(yīng)遷移率，In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料適合于半導(dǎo)體器件。In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料的典型示例由InGaO3 (ZnO)m (m>0,并且m不是自然數(shù))來(lái)表示。氧化物半導(dǎo)體材料的另ー個(gè)示例由InMO3 (ZnO)m (m>0，并且m不是自然數(shù))來(lái)表示，其中M用來(lái)代替Ga。在這里，M表示從鎵(Ga)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鈷(Co)等等中選取的金屬元素的ー種或多種。例如，M能夠是Ga、Ga和Al、Ga和Fe、Ga和Ni、Ga和Mn、Ga和Co等。注意,上述組成只是從晶體結(jié)構(gòu)所得到的示例。在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用In-Ga-Zn-O基金屬氧化物靶的濺射方法來(lái)形成具有非晶結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層206。
作為用于通過(guò)濺射方法來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層206的靶，例如，有可能使用組成比為In2O3 :Ga203: ZnO=I: I: I [摩爾比]的祀。此外，也有可能使用組成比為In2O3: Ga2O3: ZnO=I: 1:2 [摩爾比]的革巴或者組成比為In2O3 :Ga203: ZnO=I: 1:4[摩爾比]的靶。金屬氧化物靶中的氧化物半導(dǎo)體的相對(duì)密度大于或等于80%，優(yōu)選地大于或等于95%，并且更優(yōu)選地大于或等于99. 9%。具有高相對(duì)密度的金屬氧化物靶的使用使得有可能形成具有致密結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層206。其中形成氧化物半導(dǎo)體層206的氣氛優(yōu)選地為稀有氣體(通常為氬)氣氛、氧氣氛或者稀有氣體(通常為氬)和氧的混合氣氛。具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選的是使用例如從其中將諸如氫、水、羥基或氫化物的雜質(zhì)去除到少數(shù)PPm或更小(例如，Ippm或更小)，優(yōu)選地為少數(shù)ppb或 更小的濃度的高純度氣體氣氛。在能夠形成氧化物半導(dǎo)體層206時(shí)，例如，將襯底保持在控制為降低的壓カ下的處理室中，并且將襯底加熱到100°C至550°C (包括兩端)、優(yōu)選地為200°C至400°C (包括兩端)的溫度。然后，將去除了氫、水等的濺射氣體引入處理室中，同時(shí)去除處理室中的水分，由此使用上述靶來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層206。通過(guò)在加熱襯底的同時(shí)來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體層206，能夠降低氧化物半導(dǎo)體層206中的雜質(zhì)。此外，因?yàn)R射引起的損壞能夠降低。為了去除處理室中的水分，優(yōu)選地使用吸收型真空泵。例如，能夠使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。也可使用提供有冷阱的渦輪泵。由于從采用低溫泵所排空的處理室中去除氫、水等，所以氧化物半導(dǎo)體層206中的雜質(zhì)濃度能夠降低。氧化物半導(dǎo)體層206能夠在例如下列條件下形成襯底與靶之間的距離為170mm ；壓カ為0. 4Pa ;直流(DC)功率為0. 5kff ；以及氣氛為氧(100%的氧)、氬(100%的氬)或者氧和氬的混合氣氛。注意，優(yōu)選地使用脈沖直流(DC)電源，因?yàn)槟軌蚪档突覊m(諸如在膜形成時(shí)所形成的粉末物質(zhì))，并且能夠使膜厚度均勻。氧化物半導(dǎo)體層206的厚度為2nm至200nm(包括兩端)，優(yōu)選地為5nm至30nm (包括兩端)。注意，氧化物半導(dǎo)體層的適當(dāng)厚度根據(jù)使用的氧化物半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件的預(yù)期目的等等而有所不同；因此，厚度可根據(jù)材料、預(yù)期目的等等來(lái)確定。注意，在氧化物半導(dǎo)體層206采用濺射方法來(lái)形成之前，優(yōu)選地執(zhí)行反向?yàn)R射，其中通過(guò)引入氬氣體來(lái)生成等離子體，使得去除附在絕緣層202的表面上的物質(zhì)。在這里，反向?yàn)R射是ー種方法，其中離子與待處理表面碰撞，使得表面經(jīng)過(guò)修正，與離子與濺射靶碰撞的標(biāo)準(zhǔn)濺射相反。用于使離子與待處理表面碰撞的方法的示例是ー種方法，其中高頻電壓在氬氣氛下施加到表面，并且等離子體在襯底附近生成。注意，氮、氦、氧等的氣氛可用來(lái)代替氬氣氛。隨后，氧化物半導(dǎo)體層206通過(guò)諸如使用掩模的蝕刻的方法來(lái)處理，由此形成島狀氧化物半導(dǎo)體層206a。可采用干法蝕刻或濕法蝕刻用于蝕刻氧化物半導(dǎo)體層206。不用說(shuō)，干法蝕刻和濕法蝕刻能夠結(jié)合使用。蝕刻條件(例如蝕刻氣體或蝕刻劑、蝕刻時(shí)間和溫度)根據(jù)材料來(lái)適當(dāng)設(shè)置，使得氧化物半導(dǎo)體層能夠蝕刻為預(yù)期形狀。關(guān)于蝕刻條件的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。氧化物半導(dǎo)體層206能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中用于形成氧化物半導(dǎo)體層的方式相似的方式來(lái)蝕刻。關(guān)于蝕刻的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。
此后，優(yōu)選地對(duì)氧化物半導(dǎo)體層206a執(zhí)行熱處理(第一熱處理)。通過(guò)第一熱處理，能夠去除氧化物半導(dǎo)體層206a中的剩余氫(包括水和羥基)，能夠?qū)R氧化物半導(dǎo)體層206a的結(jié)構(gòu)，并且能夠降低氧化物半導(dǎo)體層206a中的缺陷。在例如300°C至550°C (包括兩端)或者400°C至550°C (包括兩端)的溫度下執(zhí)行第一熱處理。熱處理能夠根據(jù)這樣的方式來(lái)執(zhí)行例如使得將底部襯底200引入使用電阻加熱元件等的電爐中，并且然后在氮?dú)夥障乱?50°C加熱I小吋。在熱處理期間，氧化物半導(dǎo)體層206a沒有暴露于空氣，以防止水或氫的進(jìn)入。熱處理設(shè)備并不局限于電爐，而也有可能使 用這樣的設(shè)備，其用于使用來(lái)自諸如加熱氣體的介質(zhì)的熱傳導(dǎo)或熱輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象。例如，可使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)設(shè)備或LRTA (燈快速熱退火)設(shè)備的RTA (快速熱退火)設(shè)備。LRTA設(shè)備是用于通過(guò)從諸如鹵素?zé)?、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈的燈所發(fā)射的光(電磁波)的輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象的設(shè)備。GRTA設(shè)備是用于使用高溫氣體來(lái)執(zhí)行熱處理的設(shè)備。作為氣體，使用不會(huì)通過(guò)熱處理與待處理對(duì)象發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體，諸如氮或者諸如氬的稀有氣體。例如，作為第一熱處理，GRTA過(guò)程可按如下所述來(lái)執(zhí)行。將襯底放進(jìn)惰性氣體氣氛，加熱數(shù)分鐘，并且從惰性氣體氣氛中取出。GRTA過(guò)程實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的高溫?zé)崽幚?。此外，甚至?dāng)溫度超過(guò)襯底的溫度上限吋，也能夠采用GRTA過(guò)程，因?yàn)闊崽幚砟軌蛟诙虝r(shí)間執(zhí)行。注意，惰性氣體氣氛在該過(guò)程期間可改變成包含氧的氣氛。這是因?yàn)檠蹩瘴凰鸬娜毕菽軌蛲ㄟ^(guò)在包含氧的氣氛下執(zhí)行第一熱處理來(lái)降低。例如，在電爐用于第一熱處理的情況下，當(dāng)熱處理溫度下降時(shí)，氣氛會(huì)改變。例如，熱處理能夠在諸如稀有氣體(諸如氦、氖或氬)或氮的惰性氣體的氣氛下(以恒定溫度)執(zhí)行，并且當(dāng)溫度下降時(shí)，氣體能夠改變到包含氧的氣氛。作為包含氧的氣氛，能夠使用氧氣或者氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。注意，作為惰性氣體氣氛，優(yōu)選地是使用這樣的氣氛，其包含氮或稀有氣體(例如氦、氖或氬)作為其主要成分但沒有包含水、氫等。例如，引入熱處理設(shè)備中的氮或者諸如氦、氖或IS的稀有氣體的純度大于或等于6N (99. 9999%)、優(yōu)選地大于或等于7N(99. 99999%)(即，雜質(zhì)濃度小于或等于lppm,優(yōu)選地小于或等于0. lppm)。在任何情況下，當(dāng)雜質(zhì)通過(guò)第一熱處理來(lái)降低以形成i型或?qū)嵸|(zhì)i型氧化物半導(dǎo)體層206a時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)良性質(zhì)的晶體管。注意，還能夠?qū)ι形幢惶幚沓蓫u狀氧化物半導(dǎo)體層206a的氧化物半導(dǎo)體層206來(lái)執(zhí)行第一熱處理。在那種情況下，在第一熱處理之后，從加熱設(shè)備中取出底部襯底200，并且執(zhí)行光刻步驟。具有去除氫或水的效果的第一熱處理又能夠稱作脫水處理、脫氫處理等。能夠例如在形成氧化物半導(dǎo)體層之后或者在源電極或漏電極堆疊在氧化物半導(dǎo)體層206a之上之后，執(zhí)行脫水處理或脫氫處理。這種脫水處理或脫氫處理可執(zhí)行一次或多次。隨后，導(dǎo)電層形成為與氧化物半導(dǎo)體層206a相接觸。然后，有選擇地蝕刻導(dǎo)電層來(lái)形成源電極或漏電極208a和源電極或漏電極208b (參見圖17B)。這個(gè)步驟與上述實(shí)施例中所述的用于形成源電極或漏電極142a等的步驟相似。關(guān)于該步驟的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。
隨后，形成與氧化物半導(dǎo)體層206a的一部分相接觸的柵極絕緣層212 (參見圖17C)。關(guān)于柵極絕緣層212的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例中的柵極絕緣層的描述。在形成柵極絕緣層212之后，第二熱處理優(yōu)選地在惰性氣體氣氛或氧氣氛下執(zhí)行。熱處理在200°C至450°C (包括兩端)、優(yōu)選地在250°C至350°C (包括兩端)的溫度下執(zhí)行。例如，熱處理可在氮?dú)夥障乱?50°C執(zhí)行I小吋。第二熱處理能夠降低晶體管的電特性的變化。在柵極絕緣層212包含氧的情況下，通過(guò)將氧提供給氧化物半導(dǎo)體層206a以降低氧化物半導(dǎo)體層206a的氧空位，能夠形成i型(本征)或?qū)嵸|(zhì)i型氧化物半導(dǎo)體層。注意，雖然在這個(gè)實(shí)施例中，第二熱處理緊接形成柵極絕緣層212之后執(zhí)行，但是第二熱處理的定時(shí)并不局限于此。隨后，柵電極214在柵極絕緣層212之上與氧化物半導(dǎo)體層206a重疊的區(qū)域中形成(參見圖17D)。能夠通過(guò)在柵極絕緣層212之上形成導(dǎo)電層并且然后有選擇地對(duì)導(dǎo)電層 形成圖案，來(lái)形成柵電極214。關(guān)于柵電極214的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例中的柵電極的描述。隨后，層間絕緣層216和層間絕緣層218在柵極絕緣層212和柵電極214之上形成(參見圖17E)。能夠采用PVD方法、CVD方法等來(lái)形成層間絕緣層216和218。層間絕緣層216和218能夠使用包括諸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭的無(wú)機(jī)絕緣材料的材料來(lái)形成。注意，雖然在這個(gè)實(shí)施例中使用層間絕緣層216和層間絕緣層218的疊層結(jié)構(gòu)，但是本公開的發(fā)明的實(shí)施例并不局限于這ー實(shí)施例。也能夠使用單層結(jié)構(gòu)或者三層或更多層的疊層結(jié)構(gòu)。注意，層間絕緣層218優(yōu)選地形成為使得具有平坦表面。這是因?yàn)楫?dāng)層間絕緣層218形成為使得具有平坦表面吋，電極、布線等能夠在層間絕緣層218之上有利地形成。通過(guò)上述步驟，完成使用高度純化氧化物半導(dǎo)體層206a的晶體管250。圖17E所示的晶體管250包括氧化物半導(dǎo)體層206a，隔著絕緣層202設(shè)置在底部襯底200之上；電連接到氧化物半導(dǎo)體層206a的源電極或漏電極208a和源電極或漏電極208b ;覆蓋氧化物半導(dǎo)體層206a、源電極或漏電極208a和源電極或漏電極208b的柵極絕緣層212 ;柵極絕緣層212之上的柵電極214 ;柵極絕緣層212和柵電極214之上的層間絕緣層216 ;以及層間絕緣層216之上的層間絕緣層218。在這個(gè)實(shí)施例所示的晶體管250中，氧化物半導(dǎo)體層206a經(jīng)過(guò)高度純化。因此，氧化物半導(dǎo)體層206a中的氫濃度小于或等于5X 1019/cm3，優(yōu)選地小于或等于5X 1018/cm3，更優(yōu)選地小于或等于5X IO1Vcm3,以及進(jìn)一步優(yōu)選地小于或等于lX1016/cm3。另外，與典型硅晶圓的載流子密度(大約為IXlO1Vcm3)相比，氧化物半導(dǎo)體層206a的載流子密度充分低(例如小于lX1012/cm3，優(yōu)選地小于lX10n/cm3)。因此，能夠得到充分低的斷態(tài)電流。例如，在漏極電壓Vd為+IV或+IOV并且柵極電壓Ve的范圍是從-5V至-20V的情況下，斷態(tài)電流在室溫下小于或等于1X10_13A。此外，上述晶體管具有常斷晶體管的特性。因此，當(dāng)柵電極與源電極之間的電壓大約為OV時(shí)得到的斷態(tài)電流、即泄漏電流比使用硅的晶體管的泄漏電流要小許多。例如，在室溫下每單位溝道寬度的泄漏電流小于或等于lOaA/ym。以這種方式，通過(guò)使用高度純化成本征的氧化物半導(dǎo)體層206a，晶體管的斷態(tài)電流能夠充分降低。在這個(gè)實(shí)施例中，雖然晶體管250用作上述實(shí)施例中所示的晶體管402，但是本公開的發(fā)明無(wú)需被理解為局限于那種情況。例如，當(dāng)氧化物半導(dǎo)體的電特征充分增加時(shí)，氧化物半導(dǎo)體能夠用于包括集成電路中包含的晶體管的所有晶體管。在這種情況下，不一定采用上述實(shí)施例中所示的疊層結(jié)構(gòu)，并且半導(dǎo)體器件能夠使用例如諸如玻璃襯底的襯底來(lái)形成。這個(gè)實(shí)施例中所述的結(jié)構(gòu)、方法等能夠與其它實(shí)施例中所述的任意結(jié)構(gòu)、方法等適當(dāng)組合。(實(shí)施例8)
隨后，將參照?qǐng)D18A至圖18E來(lái)描述使用氧化物半導(dǎo)體、能夠用作上述實(shí)施例(諸如實(shí)施例I或?qū)嵤├?)中的晶體管402的晶體管的制造方法的另ー個(gè)示例。在這個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于以下情況進(jìn)行詳細(xì)描述作為氧化物半導(dǎo)體層，使用具有結(jié)晶區(qū)的第一氧化物半導(dǎo)體層，以及通過(guò)從第一氧化物半導(dǎo)體層的結(jié)晶區(qū)的晶體生長(zhǎng)來(lái)得到的第二氧化物半導(dǎo)體層。雖然在以下描述中使用頂柵晶體管作為示例，但是晶體管的結(jié)構(gòu)并不局限于此。
首先，絕緣層302在底部襯底300之上形成。隨后，第一氧化物半導(dǎo)體層在絕緣層302之上形成，并且然后經(jīng)過(guò)第一熱處理，使得至少包括第一氧化物半導(dǎo)體層的表面的區(qū)域結(jié)晶，由此形成第一氧化物半導(dǎo)體層304 (參見圖18A)。在這里，底部襯底300對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例中示出的、包括下部的晶體管421等的襯底。關(guān)于底部襯底300的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，底部襯底300的表面的平面度在這個(gè)實(shí)施例中特別重要，因?yàn)樗鼘?duì)于均勻晶體生長(zhǎng)是不可缺少的。為了得到具有優(yōu)選結(jié)晶度的氧化物半導(dǎo)體層，底部襯底300的表面可具有Inm或更小、優(yōu)選地為0. 2nm或更小的峰谷高度，或者0. 5nm或更小、優(yōu)選地為0. Inm或更小的均方根粗糙度(RMS)。絕緣層302用作基底，并且能夠根據(jù)與用于形成上述實(shí)施例中所示的絕緣層138、保護(hù)絕緣層144等的方式相似的方式來(lái)形成。關(guān)于絕緣層302的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，優(yōu)選的是形成絕緣層302，以使得包含盡可能少的氫或水。第一氧化物半導(dǎo)體層304能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中所示的氧化物半導(dǎo)體層206相似的方式來(lái)形成。關(guān)于第一氧化物半導(dǎo)體層304及其制造方法的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，在這個(gè)實(shí)施例中，第一氧化物半導(dǎo)體層304通過(guò)第一熱處理來(lái)有意結(jié)晶；因此，第ー氧化物半導(dǎo)體層304優(yōu)選地使用易于引起結(jié)晶的金屬氧化物靶來(lái)形成。例如，能夠使用ZnO0此外，還優(yōu)選的是使用In-Ga-Zn-O基氧化物,其中，金屬元素(In、Ga、Zn)中的Zn的比例大于或等于60%，因?yàn)榘邼舛鹊腪n的In-Ga-Zn-O基氧化物易于結(jié)晶。第一氧化物半導(dǎo)體層304的厚度優(yōu)選地為3nm至15nm (包括兩端)，并且在這個(gè)實(shí)施例中例如為5nm。注意，氧化物半導(dǎo)體層304的適當(dāng)厚度根據(jù)使用的氧化物半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件的預(yù)期目的等等而有所不同；因此，厚度可根據(jù)材料、預(yù)期目的等等來(lái)確定。第一熱處理在450°C至850°C (包括兩端)、優(yōu)選地在550°C至750°C (包括兩端)的溫度下執(zhí)行。第一熱處理的時(shí)間優(yōu)選地為I分鐘至24小時(shí)(包括兩端)。溫度和時(shí)間根據(jù)氧化物半導(dǎo)體的種類或組成比而有所不同。另外，優(yōu)選地在沒有包含氫或水的氣氛(諸如充分去除了水的氮、氧或稀有氣體(例如氦、氖或氬)的氣氛)下執(zhí)行第一熱處理。作為熱處理設(shè)備，不僅僅有可能使用電爐，而且有可能使用這樣的設(shè)備，其用于使用來(lái)自諸如加熱氣體的介質(zhì)的熱傳導(dǎo)或熱輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象。例如，能夠使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)設(shè)備或LRTA (燈快速熱退火)設(shè)備的RTA (快速熱退火)設(shè)備。LRTA設(shè)備是用于通過(guò)從諸如鹵素?zé)簟⒔饘冫u化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈的燈所發(fā)射的光(電磁波)的輻射來(lái)加熱待處理對(duì)象的設(shè)備。GRTA設(shè)備是用于使用高溫氣體來(lái)執(zhí)行熱處理的設(shè)備。作為氣體，使用不會(huì)通過(guò)熱處理與待處理對(duì)象發(fā)生反應(yīng)的惰性氣體，諸如氮或者諸如IS的稀有氣體。通過(guò)上述第一熱處理，使至少包括第一氧化物半導(dǎo)體層的表面的區(qū)域結(jié)晶。結(jié)晶區(qū)根據(jù)這樣的方式來(lái)形成使得晶體生長(zhǎng)從第一氧化物半導(dǎo)體層的表面朝第一氧化物半導(dǎo)體層的內(nèi)部進(jìn)行。注意，在一些情況下，結(jié)晶區(qū)包括平均厚度為2nm至IOnm (包括兩端)的板狀晶體。在一些情況下，結(jié)晶區(qū)還包括ー種晶體，該晶體具有與氧化物半導(dǎo)體層的表面基本上平行的a-b表面，并且其中c軸沿基本上以垂直于氧化物半導(dǎo)體層的表面的方向來(lái)定向。在這里，“基本上平行的方向”表示平行方向的±10°之內(nèi)的方向，而“基本上垂直的方向”表示垂直方向的±10°之內(nèi)的方向。 通過(guò)其中形成結(jié)晶區(qū)的第一熱處理，優(yōu)選地去除第一氧化物半導(dǎo)體層中的氫(包括水或羥基)。為了去除氫等，可在具有6N (99. 9999%)或以上的純度(S卩，雜質(zhì)濃度小于或等于lppm)、更優(yōu)選地為7N (99. 99999%)或以上的純度(即，雜質(zhì)濃度小于或等于0. lppm)的氮、氧或稀有氣體(例如氦、氖或氬)的氣氛下執(zhí)行第一熱處理。備選地，第一熱處理可在包含20ppm或更小、優(yōu)選地為Ippm或更小的H2O的超干空氣中執(zhí)行。此外，通過(guò)其中形成結(jié)晶區(qū)的第一熱處理，優(yōu)選地將氧提供給第一氧化物半導(dǎo)體層。能夠通過(guò)例如將熱處理的氣氛改變成氧氣氛，來(lái)將氧提供給第一氧化物半導(dǎo)體層。這個(gè)實(shí)施例中的第一熱處理如下所述通過(guò)在氮?dú)夥障乱?00°C進(jìn)行I小時(shí)的熱處理，從氧化物半導(dǎo)體層中去除氫等，并且然后將氣氛改變成氧氣氛，使得將氧提供給第一氧化物半導(dǎo)體層的內(nèi)部。注意，第一熱處理的主要目的是形成結(jié)晶區(qū)；因此，用于去除氫等的熱處理或者用于提供氧的處理可單獨(dú)執(zhí)行。例如，能夠在用于去除氫等的熱處理和用于提供氧的處理之后執(zhí)行用于結(jié)晶的熱處理。通過(guò)這種第一熱處理，形成結(jié)晶區(qū)，去除氫(包括水和羥基)等，并且能夠得到提供有氧的第一氧化物半導(dǎo)體層304。隨后，在至少在其表面上包括結(jié)晶區(qū)的第一氧化物半導(dǎo)體層304之上形成第二氧化物半導(dǎo)體層305 (參見圖18B)。第二氧化物半導(dǎo)體層305能夠根據(jù)與用于形成上述實(shí)施例中所示的氧化物半導(dǎo)體層206的方式相似的方式來(lái)形成。關(guān)于第二氧化物半導(dǎo)體層305及其制造方法的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。注意，第二氧化物半導(dǎo)體層305優(yōu)選地形成為比第一氧化物半導(dǎo)體層304要厚。此外，第二氧化物半導(dǎo)體層305優(yōu)選地形成為使得第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層305的總厚度為3nm至50nm (包括兩端)。注意,氧化物半導(dǎo)體層的適當(dāng)厚度根據(jù)使用的氧化物半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件的預(yù)期目的等等而有所不同；因此，厚度可根據(jù)材料、預(yù)期目的等等來(lái)確定。優(yōu)選地使用具有相同主要成分并且還在結(jié)晶之后具有密集晶格常數(shù)(晶格失配小于或等于1%)的材料，來(lái)制成第二氧化物半導(dǎo)體層305和第一氧化物半導(dǎo)體層304。這是因?yàn)椋诘诙趸锇雽?dǎo)體層305的結(jié)晶中，在使用具有相同主要成分的材料的情況下晶體生長(zhǎng)易于從第一氧化物半導(dǎo)體層304的結(jié)晶區(qū)進(jìn)行。另外，具有相同主要成分的材料的使用實(shí)現(xiàn)良好的界面物理特性或電特性。
注意，在期望的膜質(zhì)量通過(guò)結(jié)晶來(lái)得到的情況下，第二氧化物半導(dǎo)體層305可使用這樣的材料來(lái)形成 ，該材料具有與第一氧化物半導(dǎo)體層304的材料的主要成分不同的主要成分。隨后，對(duì)第二氧化物半導(dǎo)體層305執(zhí)行第二熱處理，由此晶體生長(zhǎng)從第一氧化物半導(dǎo)體層304的結(jié)晶區(qū)進(jìn)行，并且形成第二氧化物半導(dǎo)體層306 (參見圖18C)。第二熱處理在450°C至850°C (包括兩端)、優(yōu)選地在600°C至700°C (包括兩端)的溫度下執(zhí)行。第二熱處理的時(shí)間為I分鐘至100小時(shí)(包括兩端)，優(yōu)選地為5小時(shí)至20小時(shí)(包括兩端)，并且通常為10小吋。注意，第二熱處理還優(yōu)選地在沒有包含氫或水的氣氛下執(zhí)行。氣氛的細(xì)節(jié)和第二熱處理的效果與第一熱處理相似。能夠使用的熱處理設(shè)備也與第一熱處理的設(shè)備相似。例如，在第二熱處理中，電爐的內(nèi)部在溫度上升時(shí)填充有氮?dú)夥?，以及電爐的內(nèi)部在溫度下降時(shí)填充有氧氣氛，由此能夠在氮?dú)夥障氯コ龤涞龋⑶夷軌蛟谘鯕夥障绿峁┭?。通過(guò)上述第二熱處理，晶體生長(zhǎng)能夠從第一氧化物半導(dǎo)體層304的結(jié)晶區(qū)進(jìn)行到整個(gè)第二氧化物半導(dǎo)體層305，使得能夠形成第二氧化物半導(dǎo)體層306。另外，有可能形成從其中去除了氫(包括水和羥基)等并且向其提供了氧的第二氧化物半導(dǎo)體層306。此外，第一氧化物半導(dǎo)體層304的結(jié)晶區(qū)的取向能夠通過(guò)第二熱處理來(lái)改進(jìn)。例如，在In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體材料用于第二氧化物半導(dǎo)體層306的情況下，例如第二氧化物半導(dǎo)體層306能夠包括由InGaO3 (ZnO)m (m>0，并且m不是自然數(shù))所表示的晶體、由In2Ga2ZnO7 (In:Ga:Zn:0=2:2:1:7)所表示的晶體等。這類晶體通過(guò)第二熱處理來(lái)定向，使得c軸處于基本上垂直于第二氧化物半導(dǎo)體層306的表面的方向。在這里，上述晶體包括In、Ga和Zn的任ー種，并且能夠被認(rèn)為具有與a軸和b軸平行的多層的堆疊結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，上述晶體具有其中包含In的層和沒有包含In的層(包含Ga或Zn的層)的層沿c軸方向堆疊的結(jié)構(gòu)。在In-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體晶體中，包含In的層、即沿平行于a軸和b軸的方向的層具有良好的導(dǎo)電率。這是因?yàn)镮n-Ga-Zn-O基氧化物半導(dǎo)體晶體中的導(dǎo)電主要由In來(lái)控制，并且In原子的5s軌道與相鄰In原子的5s軌道重疊，使得形成載流子通路。此外，在第一氧化物半導(dǎo)體層304在與絕緣層302的界面處包括非晶區(qū)的情況下，通過(guò)第二熱處理，在一些情況下晶體生長(zhǎng)從第一氧化物半導(dǎo)體層304的表面上形成的結(jié)晶區(qū)朝第一氧化物半導(dǎo)體層的底部進(jìn)行，以便使非晶區(qū)結(jié)晶。注意，在一些情況下，取決于絕緣層302的材料、熱處理?xiàng)l件等，有非晶區(qū)剩余。在第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層305使用具有相同主要成分的氧化物半導(dǎo)體材料來(lái)制成的情況下，如圖18C所示，在一些情況下，第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層306具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。因此，雖然在圖18C中由虛線表示，但是第一氧化物半導(dǎo)體層304與第二氧化物半導(dǎo)體層306之間的邊界在ー些情況下無(wú)法區(qū)分，使得第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層306能夠被認(rèn)為是同一層。隨后，第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層306采用諸如使用掩模的蝕刻的方法來(lái)處理，由此形成島狀第一氧化物半導(dǎo)體層304a和島狀第二氧化物半導(dǎo)體層306a (參見圖 18D)。
可采用干法蝕刻或濕法蝕刻來(lái)蝕刻第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層306。不用說(shuō)，干法蝕刻和濕法蝕刻能夠結(jié)合使用。蝕刻條件(例如蝕刻氣體或蝕刻劑、蝕刻時(shí)間和溫度)根據(jù)材料來(lái)適當(dāng)設(shè)置，使得氧化物半導(dǎo)體層能夠蝕刻為預(yù)期形狀。第一氧化物半導(dǎo)體層304和第二氧化物半導(dǎo)體層306能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中所示的用于蝕刻氧化物半導(dǎo)體層的方式相似的方式來(lái)蝕刻。關(guān)于蝕刻的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。成為溝道形成區(qū)的氧化物半導(dǎo)體層的區(qū)域優(yōu)選地具有平坦表面。例如，第二氧化物半導(dǎo)體層的表面優(yōu)選地在與柵電極重疊的區(qū)域(溝道形成區(qū))中具有Inm或更小(更優(yōu)選地為0. 2nm或更小)的峰谷高度。隨后，導(dǎo)電層形成為與第二氧化物半導(dǎo)體層306a相接觸。然后，源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b通過(guò)有選擇地蝕刻導(dǎo)電層來(lái)形成(參見圖18D)。源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中所示的用于形成源電極或漏電 極142a和源電極或漏電極142b的方式相似的方式來(lái)形成。關(guān)于源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b的細(xì)節(jié),能夠參閱上述實(shí)施例。在圖18D所示的步驟中，在一些情況下，使第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a的側(cè)表面上的晶體層進(jìn)入非晶狀態(tài)，該晶體層與源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b相接觸。隨后，形成與第二氧化物半導(dǎo)體層306a的一部分相接觸的柵極絕緣層312。能夠采用CVD方法、濺射方法來(lái)形成柵極絕緣層312。然后，柵電極314在柵極絕緣層312之上與第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a重疊的區(qū)域中形成。此后，層間絕緣層316和層間絕緣層318在柵極絕緣層312和柵電極314之上形成(參見圖18E)。柵極絕緣層312、柵電極314、層間絕緣層316和層間絕緣層318能夠根據(jù)與上述實(shí)施例中所示的用于形成柵極絕緣層等的方式相似的方式來(lái)形成。關(guān)于柵極絕緣層312、柵電極314、層間絕緣層316和層間絕緣層318的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例。在形成柵極絕緣層312之后，第三熱處理優(yōu)選地在惰性氣體氣氛或氧氣氛下執(zhí)行。第三熱處理在200°C至450°C (包括兩端)、優(yōu)選地在250°C至350°C (包括兩端)的溫度下執(zhí)行。例如，熱處理可在氧氣氛下以250°C執(zhí)行I小吋。第三熱處理能夠降低晶體管的電特性的變化。在柵極絕緣層312包含氧的情況下，通過(guò)將氧提供給第二氧化物半導(dǎo)體層306a以降低第二氧化物半導(dǎo)體層306a的氧空位，能夠形成i型(本征)或?qū)嵸|(zhì)i型氧化物半導(dǎo)體層。注意，雖然在這個(gè)實(shí)施例中，第三熱處理在形成柵極絕緣層312之后執(zhí)行，但是第三熱處理的定時(shí)并不局限于此。此外，在氧通過(guò)諸如第二熱處理的其它處理來(lái)提供給第二氧化物半導(dǎo)體層的情況下，可省略第三熱處理。能夠通過(guò)在柵極絕緣層312之上形成導(dǎo)電層并且然后有選擇地對(duì)導(dǎo)電層形成圖案，來(lái)形成柵電極314。關(guān)于柵電極314的細(xì)節(jié)，能夠參閱上述實(shí)施例中的柵電極的描述。能夠采用PVD方法、CVD方法等來(lái)形成層間絕緣層316和層間絕緣層318。層間絕緣層316和層間絕緣層318能夠使用包括諸如氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭的無(wú)機(jī)絕緣材料的材料來(lái)形成。注意，雖然在這個(gè)實(shí)施例中使用層間絕緣層316和層間絕緣層318的疊層結(jié)構(gòu)，但是本公開的發(fā)明的實(shí)施例并不局限于這ー實(shí)施例。也能夠使用單層結(jié)構(gòu)或者包括三層或更多層的疊層結(jié)構(gòu)。
注意，層間絕緣層318優(yōu)選地形成為使得具有平坦表面。這是因?yàn)楫?dāng)層間絕緣層318形成為具有平坦表面吋，電極、布線等能夠在層間絕緣層318之上有利地形成。通過(guò)上述步驟，完成晶體管350。晶體管350使用第一氧化物半導(dǎo)體層304a，以及第二氧化物半導(dǎo)體層306a，其通過(guò)從第一氧化物半導(dǎo)體層304a的結(jié)晶區(qū)的晶體生長(zhǎng)來(lái)得至IJ。圖18E所示的晶體管350包括第一氧化物半導(dǎo)體層304a，隔著絕緣層302設(shè)置在底部襯底300之上；設(shè)置在第一氧化物半導(dǎo)體層304a之上的第二氧化物半導(dǎo)體層306a ；電連接到第二氧化物半導(dǎo)體層306a的源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b ;覆蓋第ニ氧化物半導(dǎo)體層306a、源電極或漏電極308a和源電極或漏電極308b的柵極絕緣層312 ；柵極絕緣層312之上的柵電極314 ;柵極絕緣層312和柵電極314之上的層間絕緣層316 ；以及層間絕緣層316之上的層間絕緣層318。 在這個(gè)實(shí)施例所示的晶體管350中，第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a經(jīng)過(guò)高度純化。因此，第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a中的氫濃度小于或等于5 X IO1Vcm3，優(yōu)選地小于或等于5 XlO1Vcm3,更優(yōu)選地小于或等于5X IO1Vcm3,以及進(jìn)一步優(yōu)選地小于或等于lX1016/cm3。另外，與典型硅晶圓的載流子密度(大約為IX IO1Vcm3)相比，第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a的載流子密度充分低(例如小于I X IO1Vcm3,優(yōu)選地小于I X 10n/cm3)。因此，能夠得到充分低的斷態(tài)電流。例如，當(dāng)漏極電壓Vd為+IV或+IOV并且柵極電壓Vs的范圍是從-5V至-20V吋，在室溫下斷態(tài)電流小于或等于1X10_13A。此外，上述晶體管350具有常斷晶體管的特性。因此，當(dāng)柵電極與源電極之間的電壓大約為OV時(shí)得到的斷態(tài)電流、即泄漏電流比使用硅的晶體管的泄漏電流要小許多。例如，在室溫下每單位溝道寬度的泄漏電流小于或等于IOaA/
U m0以這種方式，通過(guò)使用被高度純化成本征的第一氧化物半導(dǎo)體層304a和第二氧化物半導(dǎo)體層306a，晶體管的斷態(tài)電流能夠充分降低。此外，在這個(gè)實(shí)施例中，作為氧化物半導(dǎo)體層，使用具有結(jié)晶區(qū)的第一氧化物半導(dǎo)體層304a，以及第ニ氧化物半導(dǎo)體層306a，其通過(guò)從第一氧化物半導(dǎo)體層304a的結(jié)晶區(qū)的晶體生長(zhǎng)來(lái)得到。因此，能夠增加場(chǎng)效應(yīng)遷移率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)具有良好電特性的晶體管。注意，在這個(gè)實(shí)施例中，雖然晶體管350用作上述實(shí)施例中所示的晶體管402，但是本公開的發(fā)明無(wú)需被理解為局限于那種情況。例如，這個(gè)實(shí)施例中所示的晶體管350使用具有結(jié)晶區(qū)的第一氧化物半導(dǎo)體層304a，以及第ニ氧化物半導(dǎo)體層306a，其通過(guò)從第一氧化物半導(dǎo)體層304a的結(jié)晶區(qū)的晶體生長(zhǎng)來(lái)得到，并且因而具有高場(chǎng)效應(yīng)遷移率。因此，氧化物半導(dǎo)體能夠用于包括集成電路中包含的晶體管的所有晶體管。在這種情況下，不一定采用上述實(shí)施例中所示的疊層結(jié)構(gòu)，并且半導(dǎo)體器件能夠使用例如諸如玻璃襯底的襯底來(lái)形成。這個(gè)實(shí)施例中所示的結(jié)構(gòu)、方法等能夠與其它實(shí)施例中所示的任意結(jié)構(gòu)、方法等適當(dāng)組合。(實(shí)施例9)
在這個(gè)實(shí)施例中，將參照?qǐng)D19A至圖19F來(lái)描述提供有使用在上述實(shí)施例中得到的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件的電子裝置的示例。提供有使用在上述實(shí)施例中得到的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件的電子裝置具有優(yōu)良特性，這是常規(guī)技術(shù)中無(wú)法看到的。因此，借助于包括非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件，能夠提供具有新結(jié)構(gòu)的電子裝置。注意，使用根據(jù)上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件被集成為安裝在電路板等之上，并且然后置于各電子裝置內(nèi)。圖19A示出膝上型個(gè)人計(jì)算機(jī)，其設(shè)置有使用根據(jù)上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件，并且包括主體1301、殼體1302、顯示部分1303、鍵盤1304等。當(dāng)根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)，能夠提供高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)。圖19B示出便攜數(shù)字助理(PDA)，其設(shè)置有根據(jù)上述實(shí)施 例的使用非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。主體1311包括顯示部分1313、外部接ロ 1315、操作鍵1314等。此外，指示筆(stylus) 1312作為操作PDA的配件來(lái)提供。當(dāng)將根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于個(gè)人數(shù)字助理(PDA)吋，能夠提供高性能的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)。圖19C示出電子書閱讀器1320，作為設(shè)置有使用根據(jù)上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件的電子紙的示例。電子書閱讀器1320包括兩個(gè)殼體殼體1321和殼體1323。殼體1321通過(guò)鉸鏈1337與殼體1323相結(jié)合，使得電子書閱讀器1320能夠使用鉸鏈1337作為軸來(lái)開啟和閉合。利用這種結(jié)構(gòu)，電子書閱讀器1320能夠用作紙書。殼體1321包括顯示部分1325，以及殼體1323包括顯示部分1327。顯示部分1325和顯示部分1327可顯示一幅圖像或不同圖像。例如，利用顯示不同圖像的結(jié)構(gòu)，文本能夠在右顯示部分(圖19C中的顯示部分1325)顯示，并且圖像能夠在左顯示部分(圖19C中的顯示部分1327)顯示。圖19C不出殼體1321中設(shè)置有操作部分等的不例。例如，殼體1321包括電源開關(guān)1331、操作鍵1333以及揚(yáng)聲器1335等。能夠用操作鍵1333翻頁(yè)。注意，鍵盤、指示裝置等也可設(shè)置在其上設(shè)置有顯示部分的殼體的表面。此外，外部連接端子(諸如耳機(jī)端子、USB端子、或者能夠連接到AC適配器和諸如USB線纜的各種線纜的端子)、記錄介質(zhì)插入部分等等可設(shè)置在殼體的背面或側(cè)表面上。電子書閱讀器1320可具有作為電子詞典的功能。另外，電子書閱讀器1320可具有能夠無(wú)線傳送和接收數(shù)據(jù)的配置。通過(guò)無(wú)線通信，能夠從電子書籍服務(wù)器購(gòu)買和下載期望的書籍?dāng)?shù)據(jù)等等。注意，電子紙能夠應(yīng)用到顯示信息的多種領(lǐng)域中的裝置。例如，電子紙能夠用于海報(bào)、諸如火車的車輛中的廣告和諸如信用卡的各種卡上的顯示以及電子書閱讀器。當(dāng)根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于電子紙時(shí)，能夠提供高性能的電子紙。圖19D示出蜂窩電話，其設(shè)置有使用根據(jù)任意上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。蜂窩電話包括兩個(gè)殼體殼體1340和殼體1341。殼體1341包括顯不面板1342、揚(yáng)聲器1343、話筒1344、指示裝置1346、攝像機(jī)鏡頭1347、外部連接端子1348等。殼體1341還包括用于為蜂窩電話充電的太陽(yáng)能電池1349、外部存儲(chǔ)器插槽1350等。此外，天線內(nèi)置于殼體1341中。顯示面板1342具有觸摸屏功能。顯示為圖像的多個(gè)操作鍵1345在圖19D中由虛線示出。注意，蜂窩電話包括用于將從太陽(yáng)能電池1349輸出的電壓增加到各電路所需的電壓的升壓電路。除了上述結(jié)構(gòu)之外，蜂窩電話也可包括非接觸式IC芯片、小記錄裝置等。顯示面板1342的顯示取向根據(jù)使用模式適當(dāng)?shù)匕l(fā)生變化。此外，由于攝像機(jī)鏡頭1347設(shè)置在與顯示面板1342相同的表面上，所以蜂窩電話能夠用作視頻電話。揚(yáng)聲器1343和話筒1344能夠用于視頻電話呼叫、記錄和播放聲音等以及語(yǔ)音呼叫。此外，如同圖19D中那樣展開的殼體1340和殼體1341能夠滑動(dòng)成相互重疊。因此，蜂窩電話能夠采取供便攜使用的適當(dāng)尺寸。外部連接端子1348能夠連接到AC適配器或諸如USB纜線的各種纜線，由此蜂窩電話能被充電或者能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。此外，當(dāng)將記錄介質(zhì)插入外部存儲(chǔ)器插槽1350吋，大量數(shù)據(jù)能夠被保存和移動(dòng)。除了上述功能之外，還可提供紅外通信功能、電視接收功能等。當(dāng)根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于蜂窩電話時(shí)，能夠提供高性能的蜂窩電話。圖19E示出數(shù)碼相機(jī)，其設(shè)置有使用根據(jù)上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。數(shù)碼相機(jī)包括主體1361、顯示部分(A) 1367、目鏡部分1363、操作開關(guān)1364、顯示部分(B) 1365、電池1366等。當(dāng)根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)時(shí)，能夠提供聞性能的數(shù)碼相機(jī)。圖19F示出電視機(jī)，其設(shè)置有使用根據(jù)上述實(shí)施例的非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體器件。在電視裝置1370中，殼體1371包括顯示部分1373。圖像能夠在顯示部分1373上顯 示。注意在這里，殼體1371由支架1375來(lái)支承。電視機(jī)1370能夠通過(guò)殼體1371的操作開關(guān)或者單獨(dú)設(shè)置的遙控器1380進(jìn)行操作。頻道和音量能夠通過(guò)遙控器1380的操作鍵1379來(lái)控制，使得能夠控制顯示部分1373上顯示的圖像。此外，遙控器1380能夠設(shè)置有顯示部分1377，用于顯示從遙控器1380輸出的數(shù)據(jù)。注意，電視機(jī)1370優(yōu)選地設(shè)置有接收器、調(diào)制解調(diào)器等。通過(guò)接收器，能夠接收一般電視廣播。此外，當(dāng)電視機(jī)通過(guò)有線或無(wú)線經(jīng)由調(diào)制解調(diào)器連接到通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能夠執(zhí)行單向(從發(fā)送器到接收器)或雙向(在發(fā)送器與接收器之間、接收器之間等)數(shù)據(jù)通信。當(dāng)根據(jù)本公開的發(fā)明的半導(dǎo)體器件應(yīng)用于電視機(jī)時(shí)，能夠提供高性能的電視機(jī)。這個(gè)實(shí)施例中所示的結(jié)構(gòu)、方法等能夠與其它實(shí)施例中所示的任意結(jié)構(gòu)、方法等適當(dāng)組合。本申請(qǐng)基于2009年12月18日向日本專利局提交的日本專利申請(qǐng)序號(hào)2009-288146，通過(guò)引用將其完整內(nèi)容結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種非易失性鎖存電路，包括 第一晶體管； 第二晶體管； 包括第三晶體管的第一元件；以及 第二元件， 其中所述第一元件的輸出電連接至所述第二元件的輸入，并且所述第二元件的輸出通過(guò)所述第二晶體管電連接至所述第一元件的輸入， 其中所述第一元件的所述輸入電連接至通過(guò)所述第一晶體管施加有輸入信號(hào)的布線，并且所述第一元件的所述輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線， 其中所述第一晶體管的源電極和漏電極之一電連接至所述第三晶體管的柵極，并且所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至所述施加有所述輸入信號(hào)的所述布線， 其中所述第二晶體管的源電極和漏電極之一電連接至所述第三晶體管的所述柵極，并且所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至所述第二元件的所述輸出，以及 其中所述第一晶體管和所述第二晶體管的每ー個(gè)的溝道形成區(qū)包括氧化物半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求I所述的非易失性鎖存電路，其中所述氧化物半導(dǎo)體層包括銦、鎵以及鋅。
3.如權(quán)利要求I所述的非易失性鎖存電路，其中存儲(chǔ)在所述第三晶體管的柵極電容的數(shù)據(jù)通過(guò)所述第一晶體管和所述第二晶體管保存。
4.如權(quán)利要求I所述的非易失性鎖存電路， 其中所述第一元件為第一反相器，并且所述第二元件為第二反相器。
5.如權(quán)利要求I所述的非易失性鎖存電路， 其中所述第一元件為NAND，并且所述第二元件為拍頻反相器。
6.如權(quán)利要求I所述的非易失性鎖存電路， 其中至少所述第一晶體管和所述第二晶體管之一包括隔著所述氧化物半導(dǎo)體層的第一柵電極和第二柵電扱。
7.一種半導(dǎo)體裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求I的所述非易失性鎖存電路。
8.一種非易失性鎖存電路，包括 第一晶體管； 第二晶體管； 包括第三晶體管的第一元件； 第二元件；以及 電容器， 其中所述第一元件的輸出電連接至所述第二元件的輸入，并且所述第二元件的輸出通過(guò)所述第ニ晶體管電連接至所述第一元件的輸入， 其中所述第一元件的所述輸入電連接至通過(guò)所述第一晶體管施加有輸入信號(hào)的布線，并且所述第一元件的所述輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線， 其中所述第一晶體管的源電極和漏電極之一電連接至所述第三晶體管的柵極，并且所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至施加有所述輸入信號(hào)的所述布線， 其中所述第二晶體管的源電極和漏電極之一電連接至所述第三晶體管的所述柵極，并且所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至所述第二元件的所述輸出， 其中所述第一晶體管和所述第二晶體管的每ー個(gè)的溝道形成區(qū)包括氧化物半導(dǎo)體層，以及 其中所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極之一，以及所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極之一電連接至所述電容器的ー個(gè)電極。
9.如權(quán)利要求8所述的非易失性鎖存電路，其中所述氧化物半導(dǎo)體層包括銦、鎵以及鋅。
10.如權(quán)利要求8所述的非易失性鎖存電路，其中存儲(chǔ)在所述電容器和所述第三晶體管的柵極電容中的數(shù)據(jù)通過(guò)所述第一晶體管和所述第二晶體管保存。
11.如權(quán)利要求8所述的非易失性鎖存電路， 其中所述第一元件為第一反相器，并且所述第二元件為第二反相器。
12.如權(quán)利要求8所述的非易失性鎖存電路， 其中所述第一元件為NAND，并且所述第二元件為拍頻反相器。
13.如權(quán)利要求8所述的非易失性鎖存電路， 其中至少所述第一晶體管和所述第二晶體管之一包括隔著所述氧化物半導(dǎo)體層的第一柵電極和第二柵電扱。
14.一種半導(dǎo)體裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求8的所述非易失性鎖存電路。
15.ー種邏輯電路，至少包括第一非易失性鎖存電路和第二非易失性鎖存電路， 其中所述第一非易失性鎖存電路和所述第二非易失性鎖存電路的每ー個(gè)包括 第一晶體管； 第二晶體管； 包括第三晶體管的第一元件；以及 第二元件， 其中所述第一元件的輸出電連接至所述第二元件的輸入，并且所述第二元件的輸出通過(guò)所述第二晶體管電連接至所述第一元件的輸入， 其中所述第一元件的所述輸入電連接至通過(guò)所述第一晶體管施加有輸入信號(hào)的布線，并且所述第一元件的所述輸出電連接至施加有輸出信號(hào)的布線， 其中所述第一晶體管的源電極和漏電極之一電連接至所述第三晶體管的柵極，并且所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至施加有所述輸入信號(hào)的所述布線， 其中所述第二晶體管的源電極和的漏電極之一電連接至所述第三晶體管的所述柵扱，并且所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極的另一個(gè)電連接至所述第二元件的所述輸出， 其中所述第一晶體管和所述第二晶體管的每ー個(gè)的溝道形成區(qū)包括氧化物半導(dǎo)體層，以及其中所述第二非易失性鎖存電路的施加有所述輸入信號(hào)的所述布線電連接至所述第一非易失性鎖存電路的施加有所述輸出信號(hào)的所述布線。
16.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路，其中在所述第一非易失性鎖存電路和所述第二非易失性鎖存電路的每ー個(gè)中，所述氧化物半導(dǎo)體層包括銦、鎵以及鋅。
17.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路，其中存儲(chǔ)在所述第三晶體管的柵極電容中的數(shù)據(jù)通過(guò)在所述第一非易失性鎖存電路和所述第二非易失性鎖存電路的每ー個(gè)中的所述第一晶體管和所述第二晶體管保存。
18.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路， 其中在所述第一非易失性鎖存電路或所述第二非易失性鎖存電路中，所述第一元件為第一反相器，并且所述第二元件為第二反相器。
19.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路， 其中在所述第一非易失性鎖存電路或所述第二非易失性鎖存電路中，所述第一元件為NAND，并且所述第二元件為拍頻反相器。
20.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路， 其中在所述第一非易失性鎖存電路或所述第二非易失性鎖存電路中，至少所述第一晶體管和所述第二晶體管之一包括隔著所述氧化物半導(dǎo)體層的第一柵電極和第二柵電扱。
21.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路，進(jìn)一歩包括在所述第一非易失性鎖存電路中的第ー電容器， 其中所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極之一，以及所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極之一電連接至所述第一電容器的ー個(gè)電極。
22.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路，進(jìn)一歩包括在所述第二非易失性鎖存電路中的第ニ電容器， 其中所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極之ー以及所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極之一電連接至所述第二電容器的ー個(gè)電極。
23.如權(quán)利要求15所述的邏輯電路，進(jìn)一歩包括在所述第一非易失性鎖存電路中的第一電容器以及在所述第二非易失性鎖存電路中的第二電容器， 其中所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極之ー以及所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極之一電連接至所述第一電容器的ー個(gè)電極，以及 其中所述第一晶體管的所述源電極和所述漏電極之ー以及所述第二晶體管的所述源電極和所述漏電極之一電連接至所述第二電容器的ー個(gè)電極。
24.一種半導(dǎo)體裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求15的所述邏輯電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新的非易失性鎖存電路以及使用非易失性鎖存電路的半導(dǎo)體裝置。鎖存電路具有循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中第一元件的輸出電連接至第二元件的輸入，并且第二元件的輸出通過(guò)第二晶體管電連接至所述第一元件的輸入。使用氧化物半導(dǎo)體作為溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體材料的晶體管用作開關(guān)元件，并且設(shè)置有電連接至晶體管的源電極或漏電極的電容器，由此鎖存電路的數(shù)據(jù)能保存，并且因此能形成非易失性鎖存電路。
文檔編號(hào)H01L27/10GK102668377SQ20108005765
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者加藤清, 小山潤(rùn) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所