(57)【要約】【課題】微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置を提供する。また、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層を有し、第１のゲート電極層乃至第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、第１のゲート電極層は、酸化物半導体層と重畳し、第２のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、第３のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層に接するソース電極層およびドレイン電極層と、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された、第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層と、を有し、
前記第１のゲート電極層乃至前記第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、
前記第１のゲート電極層は、前記酸化物半導体層と重畳し、
前記第２のゲート電極層は、前記酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、
前記第３のゲート電極層は、前記酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆うことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ソース電極層は、
前記酸化物半導体層に接する第１のソース電極層と、
前記第１のソース電極層を覆うように形成され、前記酸化物半導体層に接する第２のソース電極層からなり、
前記ドレイン電極層は、
前記酸化物半導体層に接する第１のドレイン電極層と、
前記第１のドレイン電極層を覆うように形成され、前記酸化物半導体層に接する第２のドレイン電極層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記ソース電極層は、
前記酸化物半導体層に接する第２のソース電極層と、
前記第２のソース電極層を覆うように形成され、前記酸化物半導体層に接する第１のソース電極層からなり、
前記ドレイン電極層は、
前記酸化物半導体層に接する第２のドレイン電極層と、
前記第２のドレイン電極層を覆うように形成され、前記酸化物半導体層に接する第１のドレイン電極層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記酸化物半導体層は、前記基板側から第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、第３の酸化物半導体層の順で積層された構造を有し、
前記第１の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は前記第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
基板上に形成された第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、
前記第２の酸化物半導体層に接する第１のソース電極層および第１のドレイン電極層と、
前記第２の酸化物半導体層、前記第１のソース電極層および前記第１のドレイン電極層上に形成された第３の酸化物半導体層と、
前記第１のソース電極層を覆うように重畳し、前記第１のソース電極層および前記第３の酸化物半導体層のそれぞれと接する第２のソース電極層と、
前記第１のドレイン電極層を覆うように重畳し、前記第１のドレイン電極層および前記第３の酸化物半導体層のそれぞれと接する第２のドレイン電極層と、
前記第３の酸化物半導体層、前記第２のソース電極層および前記第２のドレイン電極層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された、第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層と、を有し、
前記第１のゲート電極層乃至前記第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、
前記第１のゲート電極層は、前記第１の酸化物半導体層および前記第２の酸化物半導体層と重畳し、
前記第２のゲート電極層は、前記第１の酸化物半導体層および前記第２の酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、
前記第３のゲート電極層は、前記第１の酸化物半導体層および前記第２の酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆うことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、前記第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６のいずれか一項において、
前記第１の酸化物半導体層乃至前記第３の酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、前記第１の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、Ｉｎに対するＭの原子数比が前記第２の酸化物半導体層よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２乃至請求項７のいずれか一項において、
前記第１のソース電極層および前記第１のドレイン電極層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料であることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項２乃至請求項８のいずれか一項において、
前記第２のソース電極層および前記第２のドレイン電極層は、窒化タンタル、窒化チタン、ルテニウム、またはこれらを主成分とする合金材料であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項２乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第１のゲート電極層は、前記第１のソース電極層および前記第１のドレイン電極層と重畳しないことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸化物半導体を有する半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電気機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、従来の薄膜トランジスタは、活性層、絶縁膜、および電極などを平面上に積み重ねていく、いわゆるプレーナ型構造が主流であったが、製造プロセスの微細化が進むにつれ、チャネル幅も縮小されるため、オン電流が低下してしまう。そのため、近年では、従来のプレーナ型構造に変わる、新しい構造のトランジスタの開発が進められている。例えば、特許文献２では、活性層（特許文献２では半導体薄膜と記載されている。）としてポリシリコン膜を用いた、フィン型構造のトランジスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２００９−２０６３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示されているようなトランジスタは、プレーナ型構造のトランジスタと比較して、オフ電流（トランジスタがオフ状態の時に、ソース−ドレイン間に流れる電流）を低減することができるため、消費電力の低減に有効であるといえる。しかしながら、半導体装置に対する低消費電力化の要望は今後さらに高まることは明らかであり、故に、トランジスタに対してもさらなるオフ電流の抑制対策が求められる。
【０００８】
トランジスタのオフ電流を低減する方法の一つとして、活性層に酸化物半導体材料を用いたトランジスタが提案されている。トランジスタの活性層として酸化物半導体材料を用いたトランジスタは、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタと比較して、オフ電流が非常に低い特徴を有している。
【０００９】
また、トランジスタの動作の高速化、トランジスタの低消費電力化、高集積化、低価格化、などを達成するためには、トランジスタの微細化は必須である。しかし、トランジスタを微細化すると、しきい値電圧のマイナスシフトやＳ値（サブスレッショルド値）の上昇などの電気特性の低下が懸念される。
【００１０】
上記の対策として、酸化物半導体層（活性層）を絶縁膜を介して上下のゲート電極層で挟み、一方を動作制御用、他方をしきい値電圧制御用とする構造が検討されている。しかしながら、他方のゲート電極層と活性層との間には、より多く酸素を活性層に供給するための厚い酸化物絶縁膜が形成されていることが望ましく、他方のゲート電極層からの電界が酸化物半導体層に及びにくい問題があった。
【００１１】
したがって、本発明の一態様は、微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。また、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様における半導体装置は、複数のゲート電極層が、絶縁膜を介して酸化物半導体層と重畳する領域のみならず、酸化物半導体層のチャネル幅方向の端部（つまり、酸化物半導体層のチャネル幅方向の側壁）を覆う構成を有する。当該半導体装置の具体的な構成について、以下に説明する。
【００１３】
本発明の一態様は、第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層を有し、第１のゲート電極層乃至第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、第１のゲート電極層は、酸化物半導体層と重畳し、第２のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、第３のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆う半導体装置に関する。
【００１４】
本発明の一態様は、基板上に形成された酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接するソース電極層およびドレイン電極層と、酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された、第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層と、を有し、第１のゲート電極層乃至第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、第１のゲート電極層は、酸化物半導体層と重畳し、第２のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、第３のゲート電極層は、酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆うことを特徴とする半導体装置である。
【００１５】
また、上記構成において、ソース電極層は、酸化物半導体層に接する第１のソース電極層と、第１のソース電極層を覆うように形成され、酸化物半導体層に接する第２のソース電極層からなり、ドレイン電極層は、酸化物半導体層に接する第１のドレイン電極層と、第１のドレイン電極層を覆うように形成され、酸化物半導体層に接する第２のドレイン電極層からなることが好ましい。
【００１６】
また、上記構成において、ソース電極層は、酸化物半導体層に接する第２のソース電極層と、第２のソース電極層を覆うように形成され、酸化物半導体層に接する第１のソース電極層からなり、ドレイン電極層は、酸化物半導体層に接する第２のドレイン電極層と、第２のドレイン電極層を覆うように形成され、酸化物半導体層に接する第１のドレイン電極層からなることが好ましい。
【００１７】
また、上記構成において、酸化物半導体層は、基板側から第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層、第３の酸化物半導体層の順で積層された構造を有し、第１の酸化物半導体層および第３の酸化物半導体層は第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことが好ましい。
【００１８】
また、本発明の他の一態様は、基板上に形成された第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に形成された第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層に接する第１のソース電極層および第１のドレイン電極層と、第２の酸化物半導体層、第１のソース電極層および第１のドレイン電極層上に形成された第３の酸化物半導体層と、第１のソース電極層を覆うように重畳し、第１のソース電極層および第３の酸化物半導体層のそれぞれと接する第２のソース電極層と、第１のドレイン電極層を覆うように重畳し、第１のドレイン電極層および第３の酸化物半導体層のそれぞれと接する第２のドレイン電極層と、第３の酸化物半導体層、第２のソース電極層および第２のドレイン電極層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された、第１のゲート電極層、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層と、を有し、第１のゲート電極層乃至第３のゲート電極層は、それぞれ離間しており、第１のゲート電極層は、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層と重畳し、第２のゲート電極層は、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、第３のゲート電極層は、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆うことを特徴とする半導体装置である。
【００１９】
また、上記構成において、第１の酸化物半導体層および第３の酸化物半導体層は、第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことが好ましい。
【００２０】
また、上記構成において、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、第１の酸化物半導体層および第３の酸化物半導体層は、Ｉｎに対するＭの原子数比が前記第２の酸化物半導体層よりも大きいことが好ましい。
【００２１】
また、上記構成において、第１のソース電極層および第１のドレイン電極層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料であることが好ましい。
【００２２】
また、上記構成において、第２のソース電極層および第２のドレイン電極層は、窒化タンタル、窒化チタン、ルテニウム、またはこれらを主成分とする合金材料であることが好ましい。
【００２３】
また、上記構成において、第１のゲート電極層は、第１のソース電極層および第１のドレイン電極層と重畳しない位置に形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の一態様を用いることにより、微細化にともなうしきい値電圧のマイナスシフトやＳ値の上昇などの電気特性の低下を抑制することができる半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】トランジスタを説明する上面図および断面図。
【図２】酸化物半導体層のバンド構造を説明する図。
【図３】酸化物半導体層のバンド構造を説明する図。
【図４】酸化物半導体層のバンド構造を説明する図。
【図５】トランジスタの拡大断面図。
【図６】トランジスタを説明する上面図、断面図、および酸化物半導体層のバンド構造を説明する図。
【図７】トランジスタを説明する上面図および断面図。
【図８】トランジスタを説明する上面図および断面図。
【図９】トランジスタを説明する上面図および断面図。
【図１０】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図１１】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図１２】トランジスタの作製方法を説明する図。
【図１３】半導体装置の断面図および回路図。
【図１４】半導体装置の回路図および斜視図。
【図１５】半導体装置のブロック図。
【図１６】半導体装置の断面図。
【図１７】半導体装置のブロック図。
【図１８】半導体装置を適用することができる電子機器および電気機器を説明する図。
【図１９】ＩＧＺＯ膜およびＷ膜の積層をＳＩＭＳ分析した結果を示す図。
【図２０】ＩＧＺＯ膜および窒化タンタル膜の積層をＳＩＭＳ分析した結果を示す図。
【図２１】ＩＧＺＯ膜および窒化チタン膜の積層をＳＩＭＳ分析した結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。
【００２７】
（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図面を用いて説明する。
【００２８】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２の断面が図１（Ｂ）に相当する。また、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４の断面が図１（Ｃ）に相当する。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル幅方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
【００２９】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１００は、基板１１０上に形成された下地絶縁膜１２０、該下地絶縁膜１２０上に形成された酸化物半導体層１３０、該酸化物半導体層１３０上に形成されたソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、該ソース電極層１４０、該ドレイン電極層１５０、および酸化物半導体層１３０上に形成されたゲート絶縁膜１６０、該ゲート絶縁膜１６０上に形成された第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３を有する。また、該ゲート絶縁膜１６０および該第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３上に酸化物絶縁層１８０が形成されていてもよい。当該酸化物絶縁層１８０は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。
【００３０】
なお、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３１】
基板１１０は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ１００の第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３、ソース電極層１４０、およびドレイン電極層１５０の少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
【００３２】
下地絶縁膜１２０は、基板１１０からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層１３０に酸素を供給する役割を担うことができるため、酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、過剰な酸素を含む絶縁膜がより好ましい。また、上述のように基板１１０が他のデバイスが形成された基板である場合、下地絶縁膜１２０は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
【００３３】
酸化物半導体層１３０は、基板１１０側から第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３が積層された構造を有している。ここで、第２の酸化物半導体層１３２には、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３よりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（バンドギャップ）を差し引いた値として求めることができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、酸化物半導体層１３０が三層の積層である場合について説明するが、酸化物半導体層１３０が一層、二層または四層以上であってもよい。一層の場合は、第２の酸化物半導体層１３２に相当する層を用いればよい。二層の場合は、基板１１０側に第２の酸化物半導体層１３２に相当する層を用い、ゲート絶縁膜１６０側に第１の酸化物半導体層１３１または第３の酸化物半導体層１３３に相当する層を用いればよい。四層以上である場合は、本実施の形態の説明と同じように第２の酸化物半導体層１３２が第１の酸化物半導体層１３１または第３の酸化物半導体層１３３に相当する層で挟まれる構造とすればよい。
【００３５】
第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含み、伝導帯下端のエネルギーが第２の酸化物半導体層１３２よりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。
【００３６】
このような構造において、第１のゲート電極層１７１に電界を印加すると、酸化物半導体層１３０のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい第２の酸化物半導体層１３２にチャネルが形成される。すなわち、第２の酸化物半導体層１３２とゲート絶縁膜１６０との間に第３の酸化物半導体層１３３が形成されていることよって、トランジスタのチャネルをゲート絶縁膜１６０と接しない構造とすることができる。
【００３７】
また、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含んで第１の酸化物半導体層１３１が構成されるため、第２の酸化物半導体層１３２と第１の酸化物半導体層１３１の界面に界面準位を形成しにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、しきい値電圧の異なる第２のトランジスタが出現し、トランジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。したがって、第１の酸化物半導体層１３１を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。
【００３８】
また、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含んで第３の酸化物半導体層１３３が構成されるため、第２の酸化物半導体層１３２と第３の酸化物半導体層１３３との界面ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、第３の酸化物半導体層１３３を設けることにより、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
【００３９】
第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを第２の酸化物半導体層１３２よりも高い原子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２よりも酸素欠損が生じにくいということができる。
【００４０】
なお、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３が、少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、第１の酸化物半導体層１３１をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、第２の酸化物半導体層１３２をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、第３の酸化物半導体層１３３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、第２の酸化物半導体層１３２において、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい。
【００４１】
また、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３のＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、第２の酸化物半導体層１３２のＩｎとＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００４２】
第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の酸化物半導体層１３２の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００４３】
第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３には、例えば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。特に、第２の酸化物半導体層１３２にインジウムを含ませると、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【００４４】
なお、酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャリア密度が、１×１０１７／ｃｍ３未満であること、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満であること、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３未満であることを指す。
【００４５】
また、酸化物半導体層において、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。また、シリコンは、酸化物半導体層中で不純物準位を形成する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが有効である。
【００４６】
酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析において、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。また、水素濃度は、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、窒素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００４７】
また、酸化物半導体層が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないためには、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。また、炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすればよい。
【００４８】
また、上述のように高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さく、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、数ｙＡ／μｍ〜数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。
【００４９】
なお、トランジスタのゲート絶縁膜としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜と接しないことが好ましいということができる。また、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜から離すことが好ましい。
【００５０】
したがって、酸化物半導体層１３０を第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の積層構造とすることで、トランジスタのチャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２をゲート絶縁膜から離すことができ、高い電界効果移動度を有し、安定した電気特性のトランジスタを形成することができる。
【００５１】
次に、酸化物半導体層１３０のバンド構造を説明する。バンド構造の解析は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３に相当する層としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第２の酸化物半導体層１３２に相当する層としてエネルギーギャップが２．８ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体層１３０に相当する積層を作製して行っている。なお、便宜的に当該積層を酸化物半導体層１３０、当該積層を構成するそれぞれの層を第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３と称して説明する。
【００５２】
第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとし、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定した。また、第１の酸化物半導体層１３１と第２の酸化物半導体層１３２との界面近傍のエネルギーギャップは３ｅＶ、第３の酸化物半導体層１３３と第２の酸化物半導体層１３２との界面近傍のエネルギーギャップは３ｅＶとした。
【００５３】
図２（Ａ）は、酸化物半導体層１３０を第３の酸化物半導体層１３３からエッチングしつつ、各層の真空準位と価電子帯上端のエネルギー差を測定し、その値をプロットした図である。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（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定した。
【００５４】
図２（Ｂ）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差と、各層のエネルギーギャップとの差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力）をプロットした図である。
【００５５】
そして、図２（Ｂ）を模式的に示したバンド構造の一部が、図３（Ａ）である。図３（Ａ）では、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３と接して、酸化シリコン膜を設けた場合について説明する。ここで、Ｅｖは真空準位のエネルギー、ＥｃＩ１およびＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ１は第１の酸化物半導体層１３１の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ２は第２の酸化物半導体層１３２の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ３は第３の酸化物半導体層１３３の伝導帯下端のエネルギーを示す。また、トランジスタを構成する場合、ゲート電極層（トランジスタ１００では第１のゲート電極層１７１に相当）はＥｃＩ２を有する酸化シリコン膜に接するものとする。
【００５６】
図３（Ａ）に示すように、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３において、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の組成が近似することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。
【００５７】
主成分を共通として積層された酸化物半導体層１３０は、各層を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造）が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面に酸化物半導体にとってトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位、あるいはキャリアの流れを阻害するバリアを形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された酸化物半導体層の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。
【００５８】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタ装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタ装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（１×１０−４Ｐａ〜５×１０−７Ｐａ程度まで）できること、かつ、成膜される基板を１００℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【００５９】
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【００６０】
なお、図３（Ａ）では、ＥｃＳ１とＥｃＳ３が同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド構造の一部は、図３（Ｂ）のように示される。
【００６１】
例えば、ＥｃＳ１＝ＥｃＳ３である場合は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（原子数比）、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、ＥｃＳ１＞ＥｃＳ３である場合は、第１の酸化物半導体層１３１にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４または１：９：６（原子数比）、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２（原子数比）、第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。
【００６２】
図２（Ａ）、（Ｂ）および図３（Ａ）、（Ｂ）より、酸化物半導体層１３０における第２の酸化物半導体層１３２がウェル（井戸）となり、酸化物半導体層１３０を用いたトランジスタにおいて、チャネルが第２の酸化物半導体層１３２に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体層１３０は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ字型井戸（Ｕ  Ｓｈａｐｅ  Ｗｅｌｌ）とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
【００６３】
なお、図４に示すように、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３があることにより、第２の酸化物半導体層１３２と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、第２の酸化物半導体層１３２の電子が該エネルギー差を超えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。
【００６４】
したがって、ＥｃＳ１およびＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差を、それぞれ０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすることで、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、安定した電気特性を得ることができる。
【００６５】
なお、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３のいずれか一つ以上の層には、結晶部が含まれることが好ましい。例えば、第１の酸化物半導体層１３１を非晶質とし、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３を結晶部が含まれる層とする。チャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２が結晶部を含むことにより、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
【００６６】
特に、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３に含まれる結晶部は、表面と略垂直な方向にｃ軸が配向した結晶を有することが好ましい。
【００６７】
また、図１の構造のトランジスタにおいて、第３の酸化物半導体層１３３はソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０に接しており、電流を効率良く取り出すにはエネルギーギャップが絶縁体のように大きくないこと、および膜厚が薄いことが好ましい。また、酸化物半導体層１３０にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合は、Ｉｎのゲート絶縁膜への拡散を防ぐために、第３の酸化物半導体層１３３は第２の酸化物半導体層１３２よりもＩｎを少なくする組成とすることが好ましい。
【００６８】
また、図５（Ａ）のトランジスタの拡大図に示すように、酸化物半導体層１３０の端部に曲面を有する領域１３４を設けても良い。酸化物半導体層１３０をＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）で形成する場合、第２の酸化物半導体層１３２を構成するＭ（ＭＳ２）と領域１３４を構成するＭ（ＭＳ４）の量的関係は、ＭＳ４＞ＭＳ２であることが好ましい。より好ましくは、ＭＳ４は第１の酸化物半導体層１３１を構成するＭ（ＭＳ１）と同等とする。
【００６９】
酸化物半導体層１３０の端部における領域１３４は、ドライエッチング法にて第１の酸化物半導体層１３１の成分を第２の酸化物半導体層１３２及び第３の酸化物半導体層１３３に再付着させる、所謂ラビットイヤーを利用して形成することができる。さらに酸化処理によりラビットイヤー形成時に付着するエッチングガス成分を除去し、Ｍ成分を酸化することで領域１３４の絶縁性を高めることができる。
【００７０】
また、図５（Ｂ）に示すように酸化物半導体層１３０をドライエッチングする際に、下地絶縁膜１２０の一部がエッチングされる。このため、酸化物半導体層１３０が接する領域の下地絶縁膜１２０の膜厚は、酸化物半導体層１３０が接しない領域の下地絶縁膜１２０の膜厚より大きい。このような構成になることで、酸化物半導体層１３０と、ソース電極層１４０またはドレイン電極層１５０との密着性を向上させることができる。
【００７１】
図６（Ａ）は図１に示すトランジスタの上面図および酸化物半導体層１３０の断面図である。ゲート電極層が重畳する酸化物半導体層１３０の領域１３４は、外的要因による不純物の混入や酸素欠損の発生などによりｎ型化しやすく、寄生チャネルとなることがある。特にエネルギーギャップの小さい第２の酸化物半導体層１３２ではｎ型化が顕著に起こりやすいため、第２の酸化物半導体層１３２を覆う領域１３４には寄生チャネルの発生を抑制する作用があるといえる。
【００７２】
第１の酸化物半導体層１３１と領域１３４の主成分が同一であるとき、第２の酸化物半導体層１３２の伝導帯下端のエネルギー（ＥｃＳ２）と領域１３４の伝導帯下端のエネルギー（ＥｃＳ４）の差分（ΔＥ）が大きいほど寄生チャネルの発生を抑える効果が高い。また、領域１３４の厚みは、第１の酸化物半導体層１３１または第３の酸化物半導体層１３３よりも厚いことが好ましく、厚いほど第２の酸化物半導体層１３２端部のｎ型化による寄生チャネルの発生を抑えることができる。
【００７３】
また、領域１３４は、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３と組成が近似することにより、酸化物半導体層１３０のバンド構造の一部を示す図６（Ｂ）のように伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。すなわち、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３、および領域１３４は連続接合であるということができる。なお、図６（Ｂ）に示す一点鎖線Ｄ１−Ｄ２は、図６（Ａ）の酸化物半導体層１３０の断面図に示す一点鎖線Ｄ１−Ｄ２方向に相当し、図６（Ｂ）に示すＥ１−Ｅ２は図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｅ１−Ｅ２方向に相当する。
【００７４】
ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０には、酸素と結合し易い導電材料を用いることができる。例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを用いることができる。後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることが特に好ましい。なお、酸素と結合し易い導電材料には、酸素が拡散し易い材料も含まれる。
【００７５】
酸素と結合し易い導電材料と酸化物半導体層を接触させると、酸化物半導体層中の酸素が、酸素と結合し易い導電材料側に拡散する現象が起こる。例えば、図１９（Ａ）、（Ｂ）はスパッタ法でＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜（以降、ＩＧＺＯ膜ともいう）およびタングステン膜の積層サンプルを形成し、酸素同位体（１８Ｏ）の深さ方向のプロファイルを熱処理前後でＳＩＭＳ分析した結果である。なお、ＩＧＺＯ膜はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または１：３：２（原子数比）をスパッタターゲットとし、Ａｒ：Ｏ２（１８Ｏ）＝２：１（流量比）をスパッタガスとして用いてＤＣスパッタ法で形成している。また、タングステン膜は、金属Ｗをスパッタターゲットとし、Ａｒ１００％をスパッタガスとしてＤＣスパッタ法で形成している。なお、熱処理は、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃の各１時間で行い、熱処理無しサンプルを含めて計５サンプルで比較を行った。図１９に示すように、熱処理温度が高くなると酸化物半導体層中の酸素がタングステン膜に拡散していることがわかる。
【００７６】
トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、上記現象により、酸化物半導体層のソース電極層およびドレイン電極層と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、当該領域はｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。
【００７７】
しかしながら、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合、上記酸素欠損の発生によってｎ型化した領域がトランジスタのチャネル長方向に延在してしまうことがある。この場合、トランジスタの電気特性には、しきい値電圧のシフトやゲート電圧でオンオフの制御ができない状態（導通状態）が現れる。そのため、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合は、ソース電極層およびドレイン電極層に酸素と結合し易い導電材料を用いることは好ましくない。
【００７８】
したがって、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１０１のようにソース電極層およびドレイン電極層を積層としてもよい。図７（Ａ）は上面図であり、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２の断面が図７（Ｂ）に相当する。また、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ３−Ｂ４の断面が図７（Ｃ）に相当する。また、一点鎖線Ｂ１−Ｂ２方向をチャネル幅方向、一点鎖線Ｂ３−Ｂ４方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１には、上述したタングステン膜を用い、チャネル長を定める第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２には、酸素と結合しにくい導電材料を用いる。当該導電材料としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、ルテニウムなどを用いることが好ましい。なお、酸素と結合しにくい導電材料には、酸素が拡散しにくい材料も含まれる。
【００７９】
図２０（Ａ）、（Ｂ）はスパッタ法でＩＧＺＯ膜および窒化タンタル膜の積層サンプルを形成し、酸素同位体（１８Ｏ）の深さ方向のプロファイルを熱処理前後でＳＩＭＳ分析した結果である。また、図２１（Ａ）、（Ｂ）はスパッタ法でＩＧＺＯ膜および窒化チタン膜の積層サンプルを形成し、酸素同位体（１８Ｏ）の深さ方向のプロファイルを熱処理前後でＳＩＭＳ分析した結果である。
【００８０】
ＩＧＺＯ膜はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または１：３：２（原子数比）をスパッタターゲットとし、Ａｒ：Ｏ２（１８Ｏ）＝２：１（流量比）をスパッタガスとして用いてＤＣスパッタ法で形成している。また、窒化タンタル膜は、金属Ｔａをスパッタターゲットとし、Ａｒ：Ｎ２＝５：１（流量比）をスパッタガスとして反応性スパッタ法（ＤＣスパッタ法）で形成し、窒化チタン膜は、金属Ｔｉをスパッタターゲットとし、Ｎ２１００％をスパッタガスとして反応性スパッタ法（ＤＣスパッタ法）で形成している。なお、熱処理は、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃の各１時間で行い、熱処理無しサンプルを含めて計５サンプルで比較を行っている。
【００８１】
いずれのサンプルにおいても、窒化タンタル中または窒化チタン膜中への酸素拡散は確認されず、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示したタングステン膜を用いたサンプルとは異なった挙動を示した。したがって、窒化タンタル膜および窒化チタン膜は酸素と結合しにくい膜、または酸素が拡散しにくい膜ということができる。
【００８２】
なお、図７の構造のトランジスタにおいて、チャネル長とは、第２のソース電極層１４２と第２のドレイン電極層１５２の間隔のことをいう。
【００８３】
また、図７の構造のトランジスタにおいて、チャネルとは、第２のソース電極層１４２と第２のドレイン電極層１５２の間における第２の酸化物半導体層１３２のことをいう。
【００８４】
また、図７の構造のトランジスタにおいて、チャネル形成領域とは、第２のソース電極層１４２と第２のドレイン電極層１５２の間における第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３のことをいう。
【００８５】
上記酸素と結合しにくい導電材料を第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２に用いることによって、酸化物半導体層に形成されるチャネル形成領域に酸素欠損が形成されることを抑制することができ、チャネルのｎ型化を抑えることができる。したがって、チャネル長が極短いトランジスタであっても良好な電気特性を得ることができる。
【００８６】
なお、上記酸素と結合しにくい導電材料のみでソース電極層およびドレイン電極層を形成すると、酸化物半導体層１３０とのコンタクト抵抗が高くなりすぎることから、図７（Ｃ）に示すように、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１を酸化物半導体層１３０上に形成し、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１を覆うように第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２を形成することが好ましい。
【００８７】
このとき、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と酸化物半導体層１３０との接触面積を大として、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２と酸化物半導体層１３０との接触面積は小とすることが好ましい。第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と酸化物半導体層１３０の接触した領域は、酸素欠損の生成によってｎ型化した領域となる。該ｎ型化した領域により第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と酸化物半導体層１３０のコンタクト抵抗を下げることができる。したがって、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と酸化物半導体層１３０の接触面積を大とすることで、ｎ型化した領域の面積も大とすることが可能となる。
【００８８】
ただし、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２に窒化タンタルや窒化チタンなどの窒化物を用いる場合は第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と酸化物半導体層１３０との接触面積を大とする必要はない。窒化物中の窒素が酸化物半導体層１３０との界面近傍に僅かに拡散し、酸化物半導体層１３０中で窒素がドナーとして作用してｎ型領域を形成し、コンタクト抵抗を低下させることができる。
【００８９】
ここで、第１のソース電極層１４１と第１のドレイン電極層１５１との間隔Ｌ１は、０．８μｍ以上、好ましくは１．０μｍ以上とする。Ｌ１が０．８μｍより小さいとチャネル形成領域において発生する酸素欠損の影響を排除できなくなり、トランジスタの電気特性が低下してしまう。
【００９０】
一方、第２のソース電極層１４２と第２のドレイン電極層１５２との間隔Ｌ２は、例えば、３０ｎｍ以下としても良好なトランジスタの電気特性を得ることができる。
【００９１】
また、ゲート−ドレイン間およびゲート−ソース間の寄生容量を小さくし、半導体装置の周波数特性を向上させるため、ゲート電極層とソース電極層またはドレイン電極層とが極力重ならない構造とすることが好ましい。
【００９２】
また、図１に示すソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０の端部、図７に示す第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１の端部は、階段状に複数の段を設けた形状とすることが好ましい。このような複数の段を設けた形状とすることで、それらの上方に形成される膜の被覆性が向上し、トランジスタの電気特性や長期信頼性を向上させることができる。
【００９３】
ゲート絶縁膜１６０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、ゲート絶縁膜１６０は上記材料の積層であってもよい。
【００９４】
第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａおよびＷなどの導電膜を用いることができる。また、それぞれのゲート電極層は、上記材料の積層であってもよい。
【００９５】
第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３は、それぞれ離間しており、第１のゲート電極層１７１は、ゲート絶縁膜１６０を介して酸化物半導体層１３０と重畳し、第２のゲート電極層１７２は、ゲート絶縁膜１６０を介して酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向の一方の端部の一部を覆い、第３のゲート電極層１７３は、ゲート絶縁膜１６０を介して酸化物半導体層１３０のチャネル幅方向の他方の端部の一部を覆っている。
【００９６】
低消費電力の半導体装置を形成するには、トランジスタのオフ電流、特にゲート電圧が０Ｖ時の電流（Ｉｃｕｔともいう）を低減させることが有効である。Ｉｃｕｔを低減させる方法としては、トランジスタのゲート電極とは活性層を挟んで逆側に電極を設け、当該電極に適切な電位を供給することによりトランジスタのしきい値電圧を制御する、所謂バックゲート構造が知られている。しかしながら、本発明の一態様のトランジスタのように、活性層が酸化物半導体である場合は、当該酸化物半導体に酸素を供給するための下地絶縁膜として、膜厚の厚い酸化物絶縁層を用いることが適している。そのため、バックゲートの電位を高くしなければならない問題やバックゲートを設けるための工程増加の問題がある。
【００９７】
本発明の一態様のトランジスタにおいて、第１のゲート電極層１７１は、トランジスタのスイッチングを制御し、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３は、トランジスタのしきい値電圧を制御する。トランジスタの動作において、第１のゲート電極層１７１にはトランジスタをオンまたはオフする電位が供給され、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３にはトランジスタのしきい値電圧を制御するための定電位が供給される。第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３には同じ電位が供給されていてもよいし、異なった電位が供給されていてもよい。
【００９８】
上記のように、バックゲートと同様の効果を有する第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３を第１のゲート電極層１７１と同じ膜厚の薄いゲート絶縁膜側に形成することでしきい値電圧を供給するための電位を低下させることができる。また、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３は同時に形成することができ、工程は増加しない。また、下地絶縁膜である酸化物絶縁層を厚く形成することができる。また、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３の電位が効率良くトランジスタの活性層にかかるようにするため、図５（Ｂ）に示すような下地絶縁膜の一部がエッチングされた構造とすることが好ましい。
【００９９】
したがって、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３に定電位を供給することでトランジスタのしきい値電圧を制御することができ、Ｉｃｕｔを低減させるとともに半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。
【０１００】
ゲート絶縁膜１６０、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３上には酸化物絶縁層１８０が形成されていてもよい。当該酸化物絶縁層１８０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、当該酸化物絶縁層１８０は上記材料の積層であってもよい。
【０１０１】
ここで、酸化物絶縁層１８０は過剰酸素を有することが好ましい。過剰酸素を含む酸化物絶縁層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化物絶縁層をいう。好ましくは、昇温脱離ガス分光法分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である膜とする。当該酸化物絶縁層１８０から放出される酸素はゲート絶縁膜１６０を経由して酸化物半導体層１３０のチャネル形成領域に拡散させることができることから、不本意に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
【０１０２】
以上が本発明の一態様におけるトランジスタである。当該トランジスタは電気特性が良好であり、長期信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１０４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明したトランジスタとは異なる構造のトランジスタについて説明する。
【０１０５】
図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図８（Ａ）は上面図であり、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ１−Ｃ２の断面が図８（Ｂ）に相当する。また、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｃ３−Ｃ４の断面が図８（Ｃ）に相当する。なお、図８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ｃ１−Ｃ２方向をチャネル幅方向、一点鎖線Ｃ３−Ｃ４方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
【０１０６】
図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２００は、基板１１０上に形成された下地絶縁膜１２０、該下地絶縁膜１２０上に形成された酸化物半導体層１３０、該酸化物半導体層１３０上に形成された第２のソース電極層１４２、第２のドレイン電極層１５２、該第２のソース電極層１４２および該第２のドレイン電極層１５２のそれぞれの上に形成された第１のソース電極層１４１、第１のドレイン電極層１５１、該第１のソース電極層１４１、該第２のソース電極層１４２、該第１のドレイン電極層１５１、該第２のドレイン電極層１５２、および酸化物半導体層１３０上に形成されたゲート絶縁膜１６０、該ゲート絶縁膜１６０上に形成された第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３、該ゲート絶縁膜１６０、該第１のゲート電極層１７１、該第２のゲート電極層１７２および該第３のゲート電極層１７３上に形成された酸化物絶縁層１８０を有する。なお、酸化物絶縁層１８０は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。
【０１０７】
図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１０１と図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ２００とは、第１のソース電極層１４１と第２のソース電極層１４２との積層順序、および第１のドレイン電極層１５１と第２のドレイン電極層１５２との積層順序が異なり、その他の点では同じである。また、実施の形態１で説明したトランジスタ１００またはトランジスタ１０１と同じようにトランジスタ２００は、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３を有している。
【０１０８】
トランジスタ２００では、酸化物半導体層１３０と、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１とが接していないことから、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１が起因した酸化物半導体層１３０における酸素欠損の発生は起こらない。そのため、当該酸素欠損によってソースまたはドレインとして作用するｎ型領域は形成されない。
【０１０９】
トランジスタ２００においては、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２に実施の形態１で説明した導電性の窒化物（窒化タンタルまたは窒化チタン）を用いる。したがって、当該窒化物から酸化物半導体層１３０の界面近傍にドナーとなる窒素を拡散させることができ、窒素を拡散させた領域をソースまたはドレインとして作用させることができる。なお、窒素はチャネル長方向にも拡散することがあり、図示してあるようにチャネル形成領域の一部を取り除くことが好ましい。当該チャネル形成領域の一部は、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２の形成時のエッチング工程によっても取り除くことができる。なお、窒素は酸化物半導体層１３０中に深く拡散させる必要はなく、界面近傍に拡散させるのみで十分にソースまたはドレインとして作用させることができる。
【０１１０】
また、トランジスタ２００では、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１が起因した酸化物半導体層１３０における酸素欠損の発生は起こらないことから、第１のソース電極層１４１と第１のドレイン電極層１５１の距離をトランジスタ１００よりも短くすることができる。例えば、第２のソース電極層１４２の端面と第１のソース電極層１４１の端面、および第２のドレイン電極層１５２の端面と第１のドレイン電極層１５１の端面とを一致させてもよい。このようにすることで、ソース電極層およびドレイン電極層全体としての抵抗を低下させることができる。
【０１１１】
以上が本発明の一態様におけるトランジスタである。当該トランジスタは電気特性が良好であり、長期信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１１２】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１１３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１および実施の形態２で説明したトランジスタとは異なる構造のトランジスタについて説明する。
【０１１４】
図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図９（Ａ）は上面図であり、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ１−Ｄ２の断面が図９（Ｂ）に相当する。また、図９（Ａ）に示す一点鎖線Ｄ３−Ｄ４の断面が図９（Ｃ）に相当する。なお、図９（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ｄ１−Ｄ２方向をチャネル幅方向、一点鎖線Ｄ３−Ｄ４方向をチャネル長方向と呼称する場合がある。
【０１１５】
図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ３００は、基板１１０上に形成された下地絶縁膜１２０、該下地絶縁膜１２０上に形成された第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２、該第２の酸化物半導体層１３２上に形成された第１のソース電極層１４１、第１のドレイン電極層１５１、該第２の酸化物半導体層１３２、該第１のソース電極層１４１、および該第１のドレイン電極層１５１上に形成された第３の酸化物半導体層１３３、第１のソース電極層１４１を覆うように重畳し、該第１のソース電極層１４１および第３の酸化物半導体層１３３のそれぞれと接する第２のソース電極層１４２、第１のドレイン電極層１５１を覆うように重畳し、該第１のドレイン電極層１５１および第３の酸化物半導体層１３３のそれぞれと接する第２のドレイン電極層１５２、第３の酸化物半導体層１３３、第２のソース電極層１４２、第２のドレイン電極層１５２上に形成されたゲート絶縁膜１６０、該ゲート絶縁膜１６０上に形成された第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３、該ゲート絶縁膜１６０および該第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３上に形成された酸化物絶縁層１８０を有する。なお、酸化物絶縁層１８０は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。
【０１１６】
図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１０１と図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ３００とは、第３の酸化物半導体層１３３が第１のソース電極層１４１上および第１のドレイン電極層１５１上に形成されている点が異なり、その他の点は同じである。また、実施の形態１で説明したトランジスタ１００またはトランジスタ１０１と同じようにトランジスタ３００は、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３を有している。
【０１１７】
トランジスタ３００では、チャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２と第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１が接しており、第２の酸化物半導体層１３２に高密度の酸素欠損が生成し、ｎ型領域が形成される。したがって、キャリアのパスに抵抗成分が少なく、効率良くキャリアを移動させることができる。
【０１１８】
また、第３の酸化物半導体層１３３は、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１形成後に形成するため、該第１のソース電極層１４１および該第１のドレイン電極層１５１形成時の第３の酸化物半導体層１３３のオーバーエッチングが無い。したがって、チャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２をゲート絶縁膜１６０から十分離すことができ、第３の酸化物半導体層１３３とゲート絶縁膜１６０との界面からの不純物拡散の影響を抑える効果を大きくすることができる。
【０１１９】
以上が本発明の一態様におけるトランジスタである。当該トランジスタは電気特性が良好であり、長期信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１２０】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１２１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した図７に示すトランジスタ１０１の作製方法について説明する。
【０１２２】
基板１１０には、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。
【０１２３】
下地絶縁膜１２０は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法等により、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などの酸化物絶縁膜、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などの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも酸化物半導体層１３０と接する上層は酸化物半導体層１３０への酸素の供給源となりえる酸素を含む材料で形成することが好ましい。
【０１２４】
なお、基板１１０の表面が絶縁体であり、後に設ける酸化物半導体層１３０への不純物拡散の影響が無い場合は、下地絶縁膜１２０を設けない構成とすることができる。
【０１２５】
次に、下地絶縁膜１２０上に第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３をスパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜し、選択的にエッチングを行うことで酸化物半導体層１３０を形成する（図１０（Ａ）参照）。なお、エッチングの前に加熱工程を行ってもよい。
【０１２６】
第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３には、実施の形態１で説明した材料を用いることができる。例えば、第１の酸化物半導体層１３１にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。
【０１２７】
また、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３として用いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【０１２８】
スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、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）等がある。
【０１２９】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。
【０１３０】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。また、本明細書においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物で構成した膜をＩＧＺＯ膜とも呼ぶ。
【０１３１】
また、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一つの金属元素または複数の金属元素を示す。また、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【０１３２】
ただし、実施の形態１に詳細を記したように、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２よりも電子親和力が大きくなるように材料を選択する。
【０１３３】
なお、酸化物半導体膜の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。特に、成膜時に発生するゴミを低減でき、かつ膜厚分布も均一とすることからＤＣスパッタ法を用いることが好ましい。
【０１３４】
第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比としては、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：９：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２のいずれかの材料を用い、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３の電子親和力が第２の酸化物半導体層１３２よりも大きくなるようにすればよい。
【０１３５】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【０１３６】
また、第２の酸化物半導体層１３２は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３よりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＧａよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＧａと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、第２の酸化物半導体層１３２にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現することができる。
【０１３７】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０１３８】
なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【０１３９】
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。
【０１４０】
酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。
【０１４１】
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体膜が典型である。
【０１４２】
微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。
【０１４３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う。
【０１４４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０１４５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０１４６】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１４７】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０１４８】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１４９】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【０１５０】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
【０１５１】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【０１５２】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
【０１５３】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【０１５４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【０１５５】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０１５６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０１５７】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０１５８】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタ粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタ粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタ粒子の平らな面が基板に付着する。
【０１５９】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０１６０】
スパッタ用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットについて以下に示す。
【０１６１】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定のモル数で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、粉末の種類、およびその混合するモル数比は、作製するスパッタ用ターゲットによって適宜変更すればよい。
【０１６２】
次に、第１の加熱処理を行うこがと好ましい。第１の加熱処理は、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、第１の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。第１の加熱処理によって、第２の酸化物半導体層１３２の結晶性を高め、さらに下地絶縁膜１２０、第１の酸化物半導体層１３１、および第３の酸化物半導体層１３３から水素や水などの不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体層１３０を形成するエッチングの前に第１の加熱工程を行ってもよい。
【０１６３】
次に、酸化物半導体層１３０上に第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１となる第１の導電膜を形成する。第１の導電膜としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などにより１００ｎｍのタングステン膜を形成する。
【０１６４】
次に、第１の導電膜を酸化物半導体層１３０上で分断するようにエッチングし、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１を形成する（図１０（Ｂ）参照）。このとき、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１の端部は図１０（Ａ）および図１０（Ｃ）に示すように階段状に形成する。当該端部の加工は、アッシングによってレジストマスクを後退させる工程とエッチングの工程を交互に複数回行うことで形成することができる。
【０１６５】
このとき、第１の導電膜のオーバーエッチングによって、図示したように酸化物半導体層１３０の一部がエッチングされた形状となる。ただし、第１の導電膜と酸化物半導体層１３０のエッチングの選択比が大きい場合は、酸化物半導体層１３０がほとんどエッチングされない形状となる。
【０１６６】
次に、酸化物半導体層１３０、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１上に、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２となる第２の導電膜８００を形成する。第２の導電膜としては、窒化タンタル、窒化チタン、ルテニウム、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などにより２０ｎｍの窒化タンタル膜を形成する。
【０１６７】
次に、第２の導電膜８００を酸化物半導体層１３０上で分断するようにエッチングし、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２を形成する（図１０（Ｃ）参照）。このとき、酸化物半導体層１３０の一部がエッチングされてもよい。
【０１６８】
なお、チャネル長（第２のソース電極層１４２と第２のドレイン電極層１５２との間）が極短いトランジスタを形成する場合は、図１２（Ａ）に示す上面図のように、まず、第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１を覆うような形状に第２の導電膜８００をエッチングする。なお、第２の導電膜８００は、酸化物半導体層１３０の近傍で第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１と重畳していればよい。
【０１６９】
そして、図１２（Ｂ）に示す第２の導電膜８００を分断する領域４００に対して、電子ビーム露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスク加工を行い、エッチング工程によって領域４００をエッチングし、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２を形成する。なお、当該レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を３０ｎｍ以下とするトランジスタを形成することができる。
【０１７０】
次に、第２の加熱処理を行うことが好ましい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第２の加熱処理により、酸化物半導体層１３０から、さらに水素や水などの不純物を除去することができる。
【０１７１】
次に、酸化物半導体層１３０、第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２上にゲート絶縁膜１６０を形成する（図１１（Ａ）参照）。ゲート絶縁膜１６０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などを用いることができる。なお、ゲート絶縁膜１６０は、上記材料の積層であってもよい。ゲート絶縁膜１６０は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。
【０１７２】
次に、ゲート絶縁膜１６０上に第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３となる第３の導電膜を形成する。第３の導電膜としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第３の導電膜は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などにより形成することができる。そして、チャネル形成領域と重畳し、かつ離間するようにエッチングし、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、第３のゲート電極層１７３を形成する（図１１（Ｂ）参照）。なお、第２のゲート電極層１７２および第３のゲート電極層１７３は図示していない。
【０１７３】
次に、ゲート絶縁膜１６０、第１のゲート電極層１７１、第２のゲート電極層１７２、および第３のゲート電極層１７３上に酸化物絶縁層１８０を形成する（図１１（Ｃ）参照）。酸化物絶縁層１８０は、下地絶縁膜１２０と同様の材料、方法を用いて形成することができる。酸化物絶縁層１８０としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル、もしくは窒素を含む酸化物絶縁層を用いるとよい。酸化物絶縁層１８０は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法を用いて形成することができ、酸化物半導体層１３０に対し酸素を供給できるよう過剰に酸素を含む膜とすることが好ましい。
【０１７４】
また、酸化物絶縁層１８０にイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、酸化物絶縁層１８０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。
【０１７５】
次に、第３の加熱処理を行うことが好ましい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第３の加熱処理により、下地絶縁膜１２０、ゲート絶縁膜１６０、酸化物絶縁層１８０から過剰酸素が放出されやすくなり、酸化物半導体層１３０の酸素欠損を低減することができる。
【０１７６】
以上の工程で、図７に示すトランジスタ１０１を作製することができる。
【０１７７】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１７８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を、図面を用いて説明する。
【０１７９】
図１３（Ａ）に半導体装置の断面図、図１３（Ｂ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。
【０１８０】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ３２０２および容量素子３２０４を有している。なお、トランジスタ３２０２としては、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを用いることができ、本実施の形態では、実施の形態１の図７に示すトランジスタ１０１を適用する例を示している。また、容量素子３２０４は、一方の電極をトランジスタ３２０２のゲート電極層、他方の電極をトランジスタ３２０２のソース電極層またはドレイン電極層、誘電体をトランジスタ３２０２のゲート絶縁膜１６０と同じ材料を用いる構造とすることで、トランジスタ３２０２と同時に形成することができる。
【０１８１】
ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を実施の形態１で説明した酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い電気特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０１８２】
なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態１乃至３に示すようなトランジスタを用いる他は、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
【０１８３】
図１３（Ａ）におけるトランジスタ３２００は、半導体材料（例えば、結晶性シリコンなど）を含む基板３０００に設けられたチャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、不純物領域に接する金属間化合物領域と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極層と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極層やドレイン電極層を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極層やドレイン電極層と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極層との記載には、ソース領域が含まれうる。
【０１８４】
基板３０００上にはトランジスタ３２００を囲むように素子分離絶縁層３１０６が設けられており、トランジスタ３２００を覆うように絶縁層３２２０が設けられている。なお、素子分離絶縁層３１０６は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などの素子分離技術を用いて形成することができる。
【０１８５】
例えば、結晶性シリコン基板を用いたトランジスタ３２００は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。トランジスタ３２０２および容量素子３２０４の形成前の処理として、トランジスタ３２００を覆う絶縁層３２２０にＣＭＰ処理を施して、絶縁層３２２０を平坦化すると同時にトランジスタ３２００のゲート電極層の上面を露出させる。
【０１８６】
絶縁層３２２０上にはトランジスタ３２０２が設けられ、そのソース電極層またはドレイン電極層の一方は延在して、容量素子３２０４の一方の電極として作用する。
【０１８７】
図１３（Ａ）に示すトランジスタ３２０２は、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトップゲート型トランジスタである。トランジスタ３２０２は、オフ電流が低いため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０１８８】
また、図示はされていないが、トランジスタ３２０２には、図面の奥行き方向に酸化物半導体層の端部をゲート絶縁膜を介して覆う第２のゲート電極層および第３のゲート電極層が形成されており、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層に適切な電位を供給することで、トランジスタ３２０２のしきい値電圧を制御することができる。また、トランジスタ３２０２の長期信頼性を高めることができる。
【０１８９】
図１３（Ａ）に示すように、トランジスタ３２００とトランジスタ３２０２は重畳するように形成することができるため、その占有面積を低減することができる。したがって、半導体装置の集積度を高めることができる。
【０１９０】
次に、図１３（Ａ）に対応する回路構成の一例を図１３（Ｂ）に示す。
【０１９１】
図１３（Ｂ）において、第１の配線（１ｓｔ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ３２００のソース電極層とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ３２００のドレイン電極層とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ  Ｌｉｎｅ）とトランジスタ３２０２のソース電極層またはドレイン電極層の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ  Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ３２０２のゲート電極層とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極層と、トランジスタ３２０２のソース電極層またはドレイン電極層の一方は、容量素子３２０４の電極の他方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ  Ｌｉｎｅ）と、容量素子３２０４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０１９２】
図１３（Ｂ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極層の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０１９３】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ３２０２がオン状態となる電位にして、トランジスタ３２０２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極層、および容量素子３２０４に与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲート電極層には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ３２０２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３２０２をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極層に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０１９４】
トランジスタ３２０２のオフ電流は極めて低いため、トランジスタ３２００のゲート電極層の電荷は長時間にわたって保持される。
【０１９５】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ３２００のゲート電極層に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲート電極層にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極層にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極層に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０１９６】
なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。
【０１９７】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて低いトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０１９８】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０１９９】
以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置、および該半導体装置の作製方法を提供することができる。
【０２００】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２０１】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態５に示した構成と異なる半導体装置の説明を行う。
【０２０２】
図１４（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図１４（Ｂ）は半導体装置の一例を示す概念図である。なお、当該半導体装置に含まれるトランジスタ４１６２としては、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを用いることができる。また、容量素子４２５４は、実施の形態５で説明した容量素子３２０４と同様に、トランジスタ４１６２の作製工程にて同時に作製することができる。
【０２０３】
図１４（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ４１６２のソース電極層とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ４１６２のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ４１６２のドレイン電極層と容量素子４２５４の第１の端子とは電気的に接続されている。
【０２０４】
次に、図１４（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル４２５０）に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。
【０２０５】
まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ４１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ４１６２をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子４２５４の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ４１６２がオフ状態となる電位として、トランジスタ４１６２をオフ状態とすることにより、容量素子４２５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。
【０２０６】
酸化物半導体を用いたトランジスタ４１６２は、オフ電流が極めて低いという特徴を有している。このため、トランジスタ４１６２をオフ状態とすることで、容量素子４２５４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子４２５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。
【０２０７】
次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ４１６２がオン状態となると、浮遊状態であるビット線ＢＬと容量素子４２５４とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子４２５４の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの電位の変化量は、容量素子４２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子４２５４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【０２０８】
例えば、容量素子４２５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子４２５４の容量をＣ、ビット線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセル４２５０の状態として、容量素子４２５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０２０９】
そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
【０２１０】
このように、図１４（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ４１６２のオフ電流が極めて低いという特徴から、容量素子４２５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０２１１】
次に、図１４（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。
【０２１２】
図１４（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図１４（Ａ）に示したメモリセル４２５０を複数有するメモリセルアレイ４２５１（メモリセルアレイ４２５１ａおよび４２５１ｂ）を有し、下部に、メモリセルアレイ４２５１を動作させるために必要な周辺回路４２５３を有する。なお、周辺回路４２５３は、メモリセルアレイ４２５１と電気的に接続されている。
【０２１３】
図１４（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路４２５３をメモリセルアレイ４２５１の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。
【０２１４】
周辺回路４２５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ４１６２とは異なる半導体材料を用いることが好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることがより好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。
【０２１５】
なお、図１４（Ｂ）に示した半導体装置では、メモリセルアレイ４２５１がメモリセルアレイ４２５１ａとメモリセルアレイ４２５１ｂの積層である構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルを積層する構成としても良いし、単層であってもよい。
【０２１６】
トランジスタ４１６２は、酸化物半導体を用いて形成されており、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを用いることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低いため、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
【０２１７】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が低いトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
【０２１８】
以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置を提供することができる。
【０２１９】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２２０】
（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４で説明したトランジスタを用いることのできる電子機器および電気機器の例について説明する。
【０２２１】
実施の形態１乃至３で説明したトランジスタは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）や電気機器に適用することができる。電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型またはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、ＩＣチップなどが挙げられる。電気機器としては、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、放射線測定器、透析装置等の医療機器、などが挙げられる。また、電気機器としては、煙感知器、ガス警報装置、防犯警報装置などの警報装置も挙げられる。さらに、電気機器としては、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、石油を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型または大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器や電気機器の具体例を図１５、図１６、図１７、および図１８に示す。
【０２２２】
まず、警報装置の例として火災報知器の構成について説明する。なお、本明細書中において、火災報知器とは、火災の発生を急報する装置全般を示すものであり、例えば、住宅用火災警報器や、自動火災報知設備や、当該自動火災報知設備に用いられる火災感知器なども火災報知器に含むものとする。
【０２２３】
図１５に示す警報装置は、マイクロコンピュータ５００を少なくとも有する。ここで、マイクロコンピュータ５００は、警報装置の内部に設けられている。マイクロコンピュータ５００は、高電位電源線ＶＤＤと電気的に接続されたパワーゲートコントローラ５０３と、高電位電源線ＶＤＤおよびパワーゲートコントローラ５０３と電気的に接続されたパワーゲート５０４と、パワーゲート５０４と電気的に接続されたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５０５と、パワーゲート５０４およびＣＰＵ５０５と電気的に接続された検出部５０９と、が設けられる。また、ＣＰＵ５０５には、揮発性記憶部５０６と不揮発性記憶部５０７と、が含まれる。
【０２２４】
また、ＣＰＵ５０５は、インターフェース５０８を介してバスライン５０２と電気的に接続されている。インターフェース５０８もＣＰＵ５０５と同様にパワーゲート５０４と電気的に接続されている。インターフェース５０８のバス規格としては、例えば、Ｉ２Ｃバスなどを用いることができる。また、本実施の形態に示す警報装置には、インターフェース５０８を介してパワーゲート５０４と電気的に接続される発光素子５３０が設けられる。
【０２２５】
発光素子５３０は指向性の強い光を放出するものが好ましく、例えば、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。
【０２２６】
パワーゲートコントローラ５０３はタイマーを有し、当該タイマーに従ってパワーゲート５０４を制御する。パワーゲート５０４は、パワーゲートコントローラ５０３の制御に従って、ＣＰＵ５０５、検出部５０９およびインターフェース５０８に高電位電源線ＶＤＤから供給される電源を供給または遮断する。ここで、パワーゲート５０４としては、例えば、トランジスタなどのスイッチング素子を用いることができる。
【０２２７】
このようなパワーゲートコントローラ５０３およびパワーゲート５０４を用いることにより、光量を測定する期間に検出部５０９、ＣＰＵ５０５およびインターフェース５０８への電源供給を行い、測定期間の合間には検出部５０９、ＣＰＵ５０５およびインターフェース５０８への電源供給を遮断することができる。このように警報装置を動作させることにより、上記の各構成に常時電源供給を行う場合より消費電力の低減を図ることができる。
【０２２８】
また、パワーゲート５０４としてトランジスタを用いる場合、不揮発性記憶部５０７に用いられる、極めてオフ電流の低いトランジスタ、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることが好ましい。このようなトランジスタを用いることにより、パワーゲート５０４で電源を遮断する際にリーク電流を低減し、消費電力の低減を図ることができる。
【０２２９】
本実施の形態に示す警報装置に直流電源５０１を設け、直流電源５０１から高電位電源線ＶＤＤに電源を供給しても良い。直流電源５０１の高電位側の電極は、高電位電源線ＶＤＤと電気的に接続され、直流電源５０１の低電位側の電極は、低電位電源線ＶＳＳと電気的に接続される。低電位電源線ＶＳＳはマイクロコンピュータ５００に電気的に接続される。ここで、高電位電源線ＶＤＤは、高電位Ｈが与えられている。また、低電位電源線ＶＳＳは、例えば接地電位（ＧＮＤ）などの低電位Ｌが与えられている。
【０２３０】
直流電源５０１として電池を用いる場合は、例えば、高電位電源線ＶＤＤと電気的に接続された電極と、低電位電源線ＶＳＳに電気的に接続された電極と、当該電池を保持することができる筐体と、を有する電池ケースを筐体に設ける構成とすればよい。なお、本実施の形態に示す警報装置は、必ずしも直流電源５０１を設ける必要はなく、例えば、当該警報装置の外部に設けられた交流電源から配線を介して電源を供給する構成としても良い。
【０２３１】
また、上記電池として、二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池（リチウムイオン蓄電池、リチウムイオン電池、またはリチウムイオンバッテリーとも呼ぶ。）を用いることもできる。また、当該二次電池を充電できるように太陽電池を設けることが好ましい。
【０２３２】
検出部５０９は、異常に係る物理量を計測して計測値をＣＰＵ５０５に送信する。異常に係る物理量は、警報装置の用途によって異なり、火災報知器として機能する警報装置では、火災に係る物理量を計測する。故に、検出部５０９には、火災に係る物理量として光量を計測し、煙の存在を感知する。
【０２３３】
検出部５０９は、パワーゲート５０４と電気的に接続された光センサ５１１と、パワーゲート５０４と電気的に接続されたアンプ５１２と、パワーゲート５０４およびＣＰＵ５０５と電気的に接続されたＡＤコンバータ５１３と、を有する。発光素子５３０、および検出部５０９に設けられた光センサ５１１、アンプ５１２並びにＡＤコンバータ５１３は、パワーゲート５０４が検出部５０９に電源を供給したときに動作する。
【０２３４】
図１６に警報装置の断面の一部を示す。当該警報装置は、ｐ型の半導体基板６０１に形成された素子分離領域６０３と、ゲート絶縁膜６０７、ゲート電極層６０９、ｎ型の不純物領域６１１ａ、ｎ型の不純物領域６１１ｂ、絶縁膜６１５および絶縁膜６１７を有するｎ型のトランジスタ７１９とが形成されている。ｎ型のトランジスタ７１９は、単結晶シリコンなど、酸化物半導体とは異なる半導体を用いて形成されるため、十分な高速動作が可能となる。これにより、高速アクセスが可能なＣＰＵの揮発性記憶部を形成することができる。
【０２３５】
絶縁膜６１５および絶縁膜６１７の一部を選択的にエッチングした開口部には、コンタクトプラグ６１９ａおよびコンタクトプラグ６１９ｂが形成され、絶縁膜６１７、コンタクトプラグ６１９ａおよびコンタクトプラグ６１９ｂ上に溝部を有する絶縁膜６２１が設けられている。
【０２３６】
絶縁膜６２１の溝部に配線６２３ａおよび配線６２３ｂが形成されており、絶縁膜６２１、配線６２３ａおよび配線６２３ｂ上には、スパッタ法またはＣＶＤ法等によって形成された絶縁膜６２０が設けられている。また、当該絶縁膜６２０上に溝部を有する絶縁膜６２２が形成されている。
【０２３７】
絶縁膜６２２上には、スパッタ法またはＣＶＤ法等により形成された絶縁膜６２５が設けられており、絶縁膜６２５上には、第２のトランジスタ７１７と、光電変換素子７１４が設けられている。
【０２３８】
第２のトランジスタ７１７は、第１の酸化物半導体層６０６ａ、第２の酸化物半導体層６０６ｂおよび第３の酸化物半導体層６０６ｃと、第１の酸化物半導体層６０６ａ、第２の酸化物半導体層６０６ｂおよび第３の酸化物半導体層６０６ｃに接する第１のソース電極層６１６ａおよび第１のドレイン電極層６１６ｂと、第１のソース電極層６１６ａおよび第１のドレイン電極層６１６ｂの上部に接する第２のソース電極層６１６ｃおよび第２のドレイン電極層６１６ｄと、ゲート絶縁膜６１２と、ゲート電極層６０４と、酸化物絶縁層６１８を含む。また、光電変換素子７１４と第２のトランジスタ７１７を覆う絶縁膜６４５が設けられ、絶縁膜６４５上に第２のドレイン電極層６１６ｄに接して配線６４９を有する。配線６４９は、第２のトランジスタ７１７のドレイン電極層とｎ型のトランジスタ７１９のゲート電極層６０９とを電気的に接続するノードとして機能する。
【０２３９】
ここで、第２のトランジスタ７１７には、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを用いることができ、第１の酸化物半導体層６０６ａ、第２の酸化物半導体層６０６ｂおよび第３の酸化物半導体層６０６ｃのそれぞれは、実施の形態１で説明した第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３に相当する。また、第１のソース電極層６１６ａおよび第１のドレイン電極層６１６ｂのそれぞれは、実施の形態１で説明した第１のソース電極層１４１および第１のドレイン電極層１５１に相当する。また、第２のソース電極層６１６ｃおよび第２のドレイン電極層６１６ｄのそれぞれは、実施の形態１で説明した第２のソース電極層１４２および第２のドレイン電極層１５２に相当する。
【０２４０】
また、図示はされていないが、トランジスタ７１７には、図面の奥行き方向に酸化物半導体層の端部をゲート絶縁膜を介して覆う第２のゲート電極層および第３のゲート電極層が形成されており、第２のゲート電極層および第３のゲート電極層に適切な電位を供給することで、トランジスタ７１７のしきい値電圧を制御することができる。また、トランジスタ７１７の長期信頼性を高めることができる。
【０２４１】
光センサ５１１は、光電変換素子７１４と、容量素子と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタ７１７と、第３のトランジスタと、ｎ型のトランジスタ７１９と、を含む。ここで光電変換素子７１４としては、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。
【０２４２】
光電変換素子７１４の端子の一方は、低電位電源線ＶＳＳと電気的に接続され、端子の他方は、第２のトランジスタ７１７の第１のソース電極層６１６ａもしくは第１のドレイン電極層６１６ｂの一方、および／または第２のソース電極層６１６ｃもしくは第２のドレイン電極層６１６ｄの一方に電気的に接続される。
【０２４３】
第２のトランジスタ７１７のゲート電極層６０４には、電荷蓄積制御信号Ｔｘが与えられ、第１のソース電極層６１６ａもしくは第１のドレイン電極層６１６ｂの他方、および／または第２のソース電極層６１６ｃもしくは第２のドレイン電極層６１６ｄの他方は、容量素子の一対の電極の一方、第１のトランジスタのソース電極層およびドレイン電極層の一方、およびｎ型のトランジスタ７１９のゲート電極層と電気的に接続される（以下、当該ノードをノードＦＤと呼ぶ場合がある）。
【０２４４】
容量素子の一対の電極の他方は、低電位電源線ＶＳＳと電気的に接続される。第１のトランジスタのゲート電極層は、リセット信号Ｒｅｓが与えられ、ソース電極層およびドレイン電極層の他方は、高電位電源線ＶＤＤと電気的に接続される。
【０２４５】
ｎ型のトランジスタ７１９のソース電極層およびドレイン電極層の一方は、第３のトランジスタのソース電極層およびドレイン電極層の一方と、アンプ５１２と電気的に接続される。また、ｎ型のトランジスタ７１９のソース電極層およびドレイン電極層の他方は、高電位電源線ＶＤＤと電気的に接続される。第３のトランジスタのゲート電極層は、バイアス信号Ｂｉａｓが与えられ、ソース電極層およびドレイン電極層の他方は、低電位電源線ＶＳＳと電気的に接続される。
【０２４６】
なお、容量素子は必ずしも設ける必要はなく、例えば、ｎ型のトランジスタ７１９などの寄生容量が十分大きい場合、容量素子を設けない構成としても良い。
【０２４７】
また、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタ７１７には、極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることが好ましい。また、極めてオフ電流の低いトランジスタとしては、酸化物半導体を含むトランジスタを用いることが好ましい。このような構成とすることによりノードＦＤの電位を長時間保持することが可能となる。
【０２４８】
また、図１６に示す構成は、第２のトランジスタ７１７と電気的に接続して、絶縁膜６２５上に光電変換素子７１４が設けられている。
【０２４９】
光電変換素子７１４は、絶縁膜６２５上に設けられた半導体膜６６０と、半導体膜６６０上に接して設けられた第１のソース電極層６１６ａ、電極６１６ｅと、を有する。第１のソース電極層６１６ａは第２のトランジスタ７１７のソース電極層またはドレイン電極層として機能する電極であり、光電変換素子７１４と第２のトランジスタ７１７とを電気的に接続している。
【０２５０】
半導体膜６６０、第１のソース電極層６１６ａおよび電極６１６ｅ上には、ゲート絶縁膜６１２、酸化物絶縁層６１８および絶縁膜６４５が設けられている。また、絶縁膜６４５上に配線６５６が設けられており、ゲート絶縁膜６１２、酸化物絶縁層６１８および絶縁膜６４５に設けられた開口を介して電極６１６ｅと接する。
【０２５１】
電極６１６ｅは、第１のソース電極層６１６ａおよび第１のドレイン電極層６１６ｂと、配線６５６は、配線６４９と同様の工程で作成することができる。
【０２５２】
半導体膜６６０としては、光電変換を行うことができる半導体膜を設ければよく、例えば、シリコンやゲルマニウムなどを用いることができる。半導体膜６６０にシリコンを用いた場合は、可視光を検知する光センサとして機能する。また、シリコンとゲルマニウムでは吸収できる電磁波の波長が異なるため、半導体膜６６０にゲルマニウムを用いる構成とすると、赤外線を中心に検知するセンサとして用いることができる。
【０２５３】
以上のように、マイクロコンピュータ５００に、光センサ５１１を含む検出部５０９を内蔵して設けることができるので、部品数を削減し、警報装置の筐体を縮小することができる。なお、光センサまたは光電変換素子の位置に自由度が必要な場合は、光センサまたは光電変換素子を外付けとして、マイクロコンピュータ５００に電気的に接続すればよい。
【０２５４】
上述したＩＣチップを含む警報装置には、先の実施の形態に示したトランジスタを用いた複数の回路を組み合わせ、それらを１つのＩＣチップに搭載したＣＰＵ５０５が用いられる。
【０２５５】
図１７は、実施の形態１乃至３で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたＣＰＵの具体的な構成を示すブロック図である。
【０２５６】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図１７（Ａ）に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。
【０２５７】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０２５８】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０２５９】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
【０２６０】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることができる。
【０２６１】
図１７（Ａ）に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
【０２６２】
電源停止に関しては、図１７（Ｂ）または図１７（Ｃ）に示すように、メモリセル群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設けることにより行うことができる。以下に図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）の回路の説明を行う。
【０２６３】
図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）では、メモリセルへの電源電位の供給を制御するスイッチング素子に、先の実施の形態で示したトランジスタを含む記憶回路の構成の一例を示す。
【０２６４】
図１７（Ｂ）に示す記憶装置は、スイッチング素子１１４１と、メモリセル１１４２を複数有するメモリセル群１１４３とを有している。具体的に、各メモリセル１１４２には、先の実施の形態に記載されているトランジスタを用いることができる。メモリセル群１１４３が有する各メモリセル１１４２には、スイッチング素子１１４１を介して、ハイレベルの電源電位ＶＤＤが供給されている。さらに、メモリセル群１１４３が有する各メモリセル１１４２には、信号ＩＮの電位と、ローレベルの電源電位ＶＳＳの電位が与えられている。
【０２６５】
図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１として、先の実施の形態で示したトランジスタを用いており、当該トランジスタは、そのゲート電極層に与えられる信号ＳｉｇＡによりスイッチングが制御される。
【０２６６】
なお、図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１がトランジスタを一つだけ有する構成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していてもよい。スイッチング素子１１４１が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていてもよいし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
【０２６７】
また、図１７（Ｂ）では、スイッチング素子１１４１により、メモリセル群１１４３が有する各メモリセル１１４２への、ハイレベルの電源電位ＶＤＤの供給が制御されているが、スイッチング素子１１４１により、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給が制御されていてもよい。
【０２６８】
また、図１７（Ｃ）には、メモリセル群１１４３が有する各メモリセル１１４２に、スイッチング素子１１４１を介して、ローレベルの電源電位ＶＳＳが供給されている、記憶装置の一例を示す。スイッチング素子１１４１により、メモリセル群１１４３が有する各メモリセル１１４２への、ローレベルの電源電位ＶＳＳの供給を制御することができる。
【０２６９】
メモリセル群と、電源電位ＶＤＤまたは電源電位ＶＳＳの与えられているノード間に、スイッチング素子を設け、一時的にＣＰＵの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合においてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への情報の入力を停止している間でも、ＣＰＵの動作を停止することができ、それにより消費電力を低減することができる。
【０２７０】
ここでは、ＣＰＵを例に挙げて説明したが、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）等のＬＳＩにも応用可能である。
【０２７１】
図１８（Ａ）において、警報装置８１００は、住宅用火災警報器であり、検出部と、マイクロコンピュータ８１０１を用いた電気機器の一例である。マイクロコンピュータ８１０１は、先の実施の形態に示したトランジスタを用いたＣＰＵを含む電子機器の一例である。
【０２７２】
図１８（Ａ）において、室内機８２００および室外機８２０４を有するエアコンディショナーは、先の実施の形態に示したトランジスタを用いたＣＰＵを含む電気機器の一例である。具体的に、室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、ＣＰＵ８２０３等を有する。図１８（Ａ）において、ＣＰＵ８２０３が、室内機８２００に設けられている場合を例示しているが、ＣＰＵ８２０３は室外機８２０４に設けられていてもよい。または、室内機８２００と室外機８２０４の両方に、ＣＰＵ８２０３が設けられていてもよい。先の実施の形態に示したトランジスタをエアコンディショナーのＣＰＵに用いることによって省電力化が図れる。
【０２７３】
図１８（Ａ）において、電気冷凍冷蔵庫８３００は、先の実施の形態に示したトランジスタを用いたＣＰＵを含む電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３、ＣＰＵ８３０４等を有する。図１８（Ａ）では、ＣＰＵ８３０４が、筐体８３０１の内部に設けられている。先の実施の形態に示したトランジスタを電気冷凍冷蔵庫８３００のＣＰＵ８３０４に用いることによって省電力化が図れる。
【０２７４】
図１８（Ｂ）および図１８（Ｃ）において、電気機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車９７００には、二次電池９７０１が搭載されている。二次電池９７０１の電力は、制御回路９７０２により出力が調整されて、駆動装置９７０３に供給される。制御回路９７０２は、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を有する処理装置９７０４によって制御される。先の実施の形態に示したトランジスタを電気自動車９７００のＣＰＵに用いることによって省電力化が図れる。
【０２７５】
駆動装置９７０３は、直流電動機もしくは交流電動機単体、または電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置９７０４は、電気自動車９７００の運転者の操作情報（加速、減速、停止など）や走行時の情報（上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など）の入力情報に基づき、制御回路９７０２に制御信号を出力する。制御回路９７０２は、処理装置９７０４の制御信号により、二次電池９７０１から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置９７０３の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
【０２７６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０２７７】
１００    トランジスタ
１０１    トランジスタ
１１０    基板
１２０    下地絶縁膜
１３０    酸化物半導体層
１３１    酸化物半導体層
１３２    酸化物半導体層
１３３    酸化物半導体層
１３４    領域
１４０    ソース電極層
１４１    ソース電極層
１４２    ソース電極層
１５０    ドレイン電極層
１５１    ドレイン電極層
１５２    ドレイン電極層
１６０    ゲート絶縁膜
１７１    ゲート電極層
１７２    ゲート電極層
１７３    ゲート電極層
１８０    酸化物絶縁層
２００    トランジスタ
３００    トランジスタ
４００    領域
５００    マイクロコンピュータ
５０１    直流電源
５０２    バスライン
５０３    パワーゲートコントローラ
５０４    パワーゲート
５０５    ＣＰＵ
５０６    揮発性記憶部
５０７    不揮発性記憶部
５０８    インターフェース
５０９    検出部
５１１    光センサ
５１２    アンプ
５１３    ＡＤコンバータ
５３０    発光素子
６０１    半導体基板
６０３    素子分離領域
６０４    ゲート電極層
６０６ａ    酸化物半導体層
６０６ｂ    酸化物半導体層
６０６ｃ    酸化物半導体層
６０７    ゲート絶縁膜
６０９    ゲート電極層
６１１ａ    不純物領域
６１１ｂ    不純物領域
６１２    ゲート絶縁膜
６１５    絶縁膜
６１６ａ    ソース電極層
６１６ｂ    ドレイン電極層
６１６ｃ    ソース電極層
６１６ｄ    ドレイン電極層
６１６ｅ    電極
６１７    絶縁膜
６１８    酸化物絶縁層
６１９ａ    コンタクトプラグ
６１９ｂ    コンタクトプラグ
６２０    絶縁膜
６２１    絶縁膜
６２２    絶縁膜
６２３ａ    配線
６２３ｂ    配線
６２５    絶縁膜
６４５    絶縁膜
６４９    配線
６５６    配線
６６０    半導体膜
７１４    光電変換素子
７１７    トランジスタ
７１９    トランジスタ
８００    導電膜
１１４１    スイッチング素子
１１４２    メモリセル
１１４３    メモリセル群
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
３０００    基板
３１０６    素子分離絶縁層
３２００    トランジスタ
３２０２    トランジスタ
３２０４    容量素子
３２２０    絶縁層
４１６２    トランジスタ
４２５０    メモリセル
４２５１    メモリセルアレイ
４２５１ａ    メモリセルアレイ
４２５１ｂ    メモリセルアレイ
４２５３    周辺回路
４２５４    容量素子
８１００    警報装置
８１０１    マイクロコンピュータ
８２００    室内機
８２０１    筐体
８２０２    送風口
８２０３    ＣＰＵ
８２０４    室外機
８３００    電気冷凍冷蔵庫
８３０１    筐体
８３０２    冷蔵室用扉
８３０３    冷凍室用扉
８３０４    ＣＰＵ
９７００    電気自動車
９７０１    二次電池
９７０２    制御回路
９７０３    駆動装置
９７０４    処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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