(57)【要約】良好な電気特性、および信頼性を有する半導体装置を提供する。第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体上に第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体上に島状の酸化物を形成し、酸化物上に、第３の絶縁体と導電体の積層体を形成し、酸化物、および積層体上に金属元素を有する膜を形成することにより、酸化物を選択的に低抵抗化し、第２の絶縁体と、酸化物と、および積層体上に第４の絶縁体を形成した後、第４の絶縁体に、第２の絶縁体を露出する開口部を形成し、第２の絶縁体、および第４の絶縁体上に、第５の絶縁体を形成し、第５の絶縁体に対して、酸素導入処理を行う。
2019048984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の絶縁体を形成し、
前記第１の絶縁体上に第２の絶縁体を形成し、
前記第２の絶縁体上に島状の酸化物を形成し、
前記酸化物上に、第３の絶縁体と導電体の積層体を形成し、
前記酸化物、および前記積層体上に金属元素を有する膜を形成することにより、前記酸化物を選択的に低抵抗化し、
前記第２の絶縁体と、前記酸化物と、および前記積層体上に第４の絶縁体を形成した後、前記第４の絶縁体に、第２の絶縁体を露出する開口部を形成し、
前記第２の絶縁体、および前記第４の絶縁体上に、第５の絶縁体を形成し、
前記第５の絶縁体に対して、酸素導入処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素導入処理は、イオン注入法により行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記酸素導入処理は、前記第５の絶縁体上に、酸素ガスを用いたスパッタリング法により、第６の絶縁体を成膜することにより行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記第６の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
前記第１の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一において、
前記金属元素を有する膜を除去した後、前記第４の絶縁体を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一において、
前記金属元素は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。【０００２】なお、本明細書等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す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。【０００３】なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
【背景技術】
【０００４】近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよびメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。【０００５】ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。【０００６】また、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を構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）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。【０００７】また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。【０００８】また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献２参照）。【０００９】また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパントを導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献３参照）。【００１０】また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。【００１１】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。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ。）に関する研究が盛んに行われている。【００１２】ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照。）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている��【００１３】さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照。）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１２−２５７１８７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２８６２２号公報
【特許文献３】特開２０１３−０１６７８２号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ４３，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．１８３−１８６
【非特許文献２】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ５３，Ｎｕｍｂｅｒ  ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
【非特許文献３】Ｓ．Ｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＭ−ＦＰＤ’１３  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１３，ｐ．１５１−１５４
【非特許文献４】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＥＣＳ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ３，ｉｓｓｕｅ  ９，ｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２
【非特許文献５】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，“ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ６４，ｉｓｓｕｅ  １０，ｐ．１５５−１６４
【非特許文献６】Ｋ．Ｋａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ５１，ｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７
【非特許文献７】Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“２０１５  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１５，ｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７
【非特許文献８】Ｓ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ  ４１，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．６２６−６２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸化物半導体膜中から金属膜が酸素を引き抜く作用が低い。【００１７】また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水・脱水素化）が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリーオフのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。【００１８】上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。【００１９】または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。【００２０】本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。【００２１】なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００２２】本発明の一態様は、第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体上に第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体上に島状の酸化物を形成し、酸化物上に、第３の絶縁体と導電体の積層体を形成し、酸化物、および積層体上に金属元素を有する膜を形成することにより、酸化物を選択的に低抵抗化し、第２の絶縁体と、酸化物と、および積層体上に第４の絶縁体を形成した後、第４の絶縁体に、第２の絶縁体を露出する開口部を形成し、第２の絶縁体、および第４の絶縁体上に、第５の絶縁体を形成し、第５の絶縁体に対して、酸素導入処理を行う。【００２３】上記において、酸素導入処理は、イオン注入法により行われる。【００２４】上記において、酸素導入処理は、第５の絶縁体上に、酸素ガスを用いたスパッタリング法により、第６の絶縁体を成膜することにより行われる。【００２５】上記において、第６の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。【００２６】上記において、第１の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。【００２７】上記において、金属元素を有する膜を除去した後、第４の絶縁体を形成する。【００２８】上記において、金属元素は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一である。
【発明の効果】
【００２９】本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。【００３０】または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。【００３１】なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。
【図３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図９】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１４】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１５】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１６】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す上面図、および断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す回路図。
【図１８】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２０】インバータ回路の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャート
【図２１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。
【図２２】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。
【図２３】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。
【図２４】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。
【図２５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。
【図２６】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図２７】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図２８】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図２９】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図３０】本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。
【図３１】本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。
【図３２】本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。
【図３３】本発明の一態様の電子機器を説明する図。
【図３４】実施例に係る各試料の断面、および各試料のＴＤＳ測定の結果を説明する図。
【図３５】実施例に係る各試料のΔＶｓｈのストレス時間依存性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００３４】また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、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場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００３５】また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
【００３６】また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００３７】また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００３８】例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
【００３９】ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００４０】ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００４１】ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００４２】ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００４３】また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域を有しており、チャネルが形成される領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００４４】また、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、本明細書等においては、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場合がある。
【００４５】なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４６】チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００４７】なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００４８】このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００４９】そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
【００５０】なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
【００５１】なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
【００５２】また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００５３】また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう。）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。
【００５４】また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００５５】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。
【００５６】なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
【００５７】本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ  ＦＥＴと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【００５８】また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
【００５９】（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【００６０】＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。
【００６１】図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。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。
【００６２】本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄ）とを有する。
【００６３】なお、導電体２０３は、絶縁体２１２の開口の内壁に接して導電体２０３の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２０３の第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２０３の第１の導電体および導電体２０３の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
【００６４】また、導電体２４０は、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８４の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２４０が２層の積層構造である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０は、単層、又は３層以上の積層構造でもよい。
【００６５】［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、および導電体２６０ｃ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、絶縁体２７０上に配置された絶縁体２７１と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と接して配置された絶縁体２７５と、酸化物２３０上に配置された絶縁体２７３と、を有する。
【００６６】なお、図１に示すトランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。
【００６７】また、トランジスタ２００は、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
【００６８】酸化物２３０として、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【００６９】チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
【００７０】一方、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、ノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。また、酸化物半導体中に、適量値を超えた過剰な酸素を有した状態で、該トランジスタを駆動した場合、過剰な酸素原子の価数が変化し、該トランジスタの電気特性が変動することで、信頼性が悪くなる場合がある。
【００７１】従って、トランジスタに用いる酸化物半導体は、不純物、酸素欠損、および、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（以下、過剰酸素ともいう）がない、高純度真性な酸化物半導体を用いることが好ましい。
【００７２】しかしながら、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、トランジスタを構成する導電体、またはトランジスタと接続するプラグや配線に用いられる導電体に、酸化物半導体の酸素が徐々に吸収され、継時的変化の一つとして、酸素欠損を生じる場合がある。
【００７３】従って、該トランジスタの酸化物半導体の近傍に、過剰酸素領域を有する構造体を設けることが好ましい。酸化物半導体に生じた酸素欠損に、該過剰酸素領域を有する構造体の過剰酸素を拡散することで、該酸素欠損を補償することができる。一方で、上記過剰酸素領域を有する構造体の過剰酸素が、適量値を超えて拡散した場合、過剰に供給された酸素は、酸化物半導体の構造を変化させる場合がある。
【００７４】そこで、トランジスタ２００上に設けられた層間膜として機能する絶縁体２８０と、絶縁体２８０、および酸化物２３０と接して設けられる絶縁体２２４に、酸素を含む絶縁体を用いる。特に、絶縁体２８０には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。
【００７５】絶縁体２８０に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２８０に、酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入し、酸素を過剰に含有する領域を形成する。
【００７６】例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いて、絶縁体２８０に酸素イオンを導入することができる。例えば、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いて、イオン注入法により、処理を行えばよい。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。
【００７７】特に、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注入法、プラズマ処理などを用いることで、処理条件を適宜設定することができる。従って、トランジスタの形状、サイズ、集積度、またはレイアウトに応じて、絶縁体２８０が有する過剰酸素量を調整、または制御することができる。
【００７８】また、酸素導入処理の一例として、絶縁体２８０上に、スパッタリング装置を用いて、酸化物を積層する方法がある。例えば、絶縁体２８２を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２８２を成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を導入することができる。
【００７９】スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【００８０】プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２８０に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２８０内部まで到達する。イオンが絶縁体２８０に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２８０に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２８０に過剰酸素領域が形成される。
【００８１】一方、酸化物２３０に接する絶縁体２２４は、酸素を拡散する絶縁体であればよい。さらに、絶縁体２８０と、絶縁体２２４との間に、酸素の拡散を抑制する絶縁体２７３を設ける。なお、絶縁体２７３は、開口部２７３ｈを有し、開口部２７３ｈを介して、絶縁体２８０と、絶縁体２２４とが接する。開口部２７３ｈは、トランジスタ２００の形状、サイズ、集積度、またはレイアウトに応じて適宜設計すればよい。例えば、開口部２７３ｈの形状を、円形状、または多角形状のホール、溝、またはスリットなどとしてもよい。
【００８２】つまり、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、絶縁体２２４を介して、酸化物２３０の酸素欠損を低減することで、ノーマリーオフ特性（しきい値電圧がプラスとなる電気特性）を有し、信頼性が高いトランジスタを提供することができる。また、開口部２７３ｈを有する絶縁体２７３を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、適量値を超えて酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
【００８３】また、例えば、絶縁体２７３が有する開口部２７３ｈは、絶縁体２５０と接する絶縁体２７５を露出するように設けられてもよい。開口部２７３ｈを介して、絶縁体２８０と、絶縁体２７５が接することで、絶縁体２８０中の過剰酸素は、絶縁体２７５および絶縁体２５０を拡散し、酸化物２３０に供給される。酸化物２３０に到達した過剰酸素は、酸化物２３０に生じた酸素欠損を補償することで、トランジスタ２００はノーマリーオフ特性を有する。また、酸化物２３０に生じた酸素欠損を補償することで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【００８４】また、絶縁体２８０が有する過剰酸素領域中の酸素を、効率よく酸化物２３０へ供給するため、絶縁体２８０の上方に、絶縁体２８２を設ける。つまり、絶縁体２８２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、トランジスタ２００の外側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。なお、バリア性とは、水素、および水に代表される不純物、または酸素などの拡散を抑制する機能とする。
【００８５】また、絶縁体２２４の下方に、酸素に対するバリア性を有する絶縁体２２２を設けてもよい。絶縁体２２２を有することで、過剰酸素領域の酸素は、トランジスタ２００の外側に拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。
【００８６】さらに、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加することで、低抵抗化する場合がある。酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、キャリア密度の高いソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域と、を設けることができる。
【００８７】酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。
【００８８】また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素、または窒素が、酸化物半導体へと拡散し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００８９】ここで、図２に、図１（Ｂ）の拡大図を示す。図２において、黒点は過剰酸素、矢印は過剰酸素がとりうる拡散経路を示す。絶縁体２７３は、絶縁体２２４と重畳する領域上に開口部２７３ｈを有する。絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２７３が有する開口部２７３ｈを通過し、酸化物２３０へと拡散する。
【００９０】図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域２３４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４２（領域２４２ｓ、および領域２４２ｄ）と、を有する。
【００９１】ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４２は、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４２よりも、キャリア密度が低い高抵抗領域である。
【００９２】なお、領域２４２は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。例えば、領域２４２は、酸化物２３０の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
【００９３】酸化物２３０において、領域２４２を選択的に形成するためには、例えば、ゲートとして機能する導電体２６０をマスクとして、酸化物２３０上に接して、金属元素を有する膜を設ければよい。なお、金属元素を有する膜として、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を用いることができる。酸化物２３０において、金属元素を有する膜と接した領域に、金属元素が添加されることで、酸化物２３０中に、金属化合物が形成され、領域２４２を低抵抗化することができる。
【００９４】また、金属元素を有する膜と、酸化物２３０との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、金属元素を有する膜の成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。
【００９５】なお、上記金属化合物は、必ずしも、酸化物２３０中に形成されていなくともよい。例えば、金属元素を有する膜に、金属化合物が形成されていてもよい。また、例えば、酸化物２３０の表面、金属元素を有する膜の表面、または金属元素を有する膜と酸化物２３０との界面に形成された化合物層に設けられていてもよい。
【００９６】従って、領域２４２は、金属元素を有する膜の低抵抗領域、または、金属元素を有する膜と酸化物２３０との間に形成された化合物層の低抵抗化領域も含む場合がある。つまり、本明細書では、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域が、領域２４２とする。
【００９７】上記より、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００のチャネル長は、導電体２６０の幅により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００の微細化が可能となる。
【００９８】なお、金属元素を有する膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属元素を有する膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【００９９】なお、金属元素を有する膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属元素を有する膜を絶縁化し、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。例えば、金属元素を有する膜は、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。その場合、金属元素を有する膜は、層間膜として機能する場合がある。
【０１００】また、例えば、金属元素を有する膜に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、金属元素を有する膜の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、金属元素を有する膜は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。
【０１０１】金属元素を有する膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該構造とする場合、金属元素を有する膜は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、金属元素を有する膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素が金属元素を有する膜に拡散しやすくなる。
【０１０２】ここで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、絶縁体２７３が有する開口部２７３ｈを通過し、絶縁体２２４を介して、酸化物２３０に供給される。酸化物２３０と、絶縁体２２４とが接する面から、過剰酸素が酸化物２３０へと拡散し、酸化物２３０に生じた酸素欠損を低減することで、トランジスタ２００はノーマリーオフ特性を有する。また、酸化物２３０に生じた酸素欠損を補償することで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０１０３】なお、絶縁体２８２、および絶縁体２２０により、酸化物２３０と、絶縁体２８０を封止することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、効率よく酸化物２３０へと供給される。また、開口部２７３ｈを有する絶縁体２７３が、酸素に対してバリア性を有することで、酸化物２３０、および酸化物２３０と接する絶縁体に、過剰に酸素が供給されることを抑制することができる。
【０１０４】また、酸化物２３０に設けられた低抵抗化した領域２４２は、金属元素が添加されているため、安定であり、酸化物２３０の酸素欠損を低減したとしても、低抵抗を維持することができる。
【０１０５】また、図２では、領域２３４、および領域２４２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図２では、各領域の境界を、酸化物２３０の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、各領域が酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ｂの下面近傍では、導電体２４０ｓ側または導電体２４０ｄ側に後退する形状になる場合がある。
【０１０６】また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
【０１０７】上記構成により、電気特性の変動が少ない、信頼性が高いトランジスタを提供することができる。また、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０１０８】また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０１０９】以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０１１０】以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
【０１１１】導電体２０３は、図１（Ａ）、および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。
【０１１２】導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、導電体２０３の上に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
【０１１３】ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。
【０１１４】例えば、第１のゲート電極、および第２のゲート電極を有するトランジスタは、第２のゲート電極に印加する電位と、第１のゲート電極に印加する電位とに、異なる電位を印加することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。また、例えば、第２のゲート電極に負の電位を印加することにより、トランジスタの閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することができる。つまり、第２のゲート電極に負の電位を印加することにより、第１のゲート電極に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【０１１５】また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６などが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。
【０１１６】また、導電体２０３と導電体２６０との間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
【０１１７】なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０と重なるように配置する。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
【０１１８】上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
【０１１９】また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、第１の導電体および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
【０１２０】ここで、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
【０１２１】導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５、または導電体２０３の第２の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、トランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。
【０１２２】また、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０１２３】また、導電体２０３の第２の導電体は、配線として機能するため、導電体２０５の第２の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２０３の第２の導電体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０１２４】特に、導電体２０３に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
【０１２５】なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
【０１２６】絶縁体２１０、および絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１０、および絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
【０１２７】例えば、絶縁体２１０として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。
【０１２８】例えば、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にする場合、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設ける。導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
【０１２９】層間膜として機能する絶縁体２１２、および絶縁体２１６は、絶縁体２１０、または絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０１３０】例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１３１】絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【０１３２】酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、酸素を拡散する機能を有する絶縁体を用いることが好ましい。一方、絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２２４により拡散された過剰酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
【０１３３】具体的には、絶縁体２２４は、例えば、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
【０１３４】絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
【０１３５】特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
【０１３６】または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１３７】また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体と絶縁体２２０とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【０１３８】なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
【０１３９】酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【０１４０】なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
【０１４１】また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０１４２】ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【０１４３】具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
【０１４４】このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。
【０１４５】また、酸化物２３０は、領域２３４、および低抵抗化された領域２４２を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２４２は、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。
【０１４６】つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０１４７】酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０１４８】酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
【０１４９】絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。また、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２７３の開口部２７３ｈ、絶縁体２７５、および絶縁体２５０を拡散し、酸化物２３０へと供給される場合がある。従って、絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、酸素を拡散する機能を有する絶縁体を用いることが好ましい。
【０１５０】また、過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、絶縁体２５０上に金属酸化物２５２を設けてもよい。従って、金属酸化物２５２は、酸素拡散を抑制することが好ましい。絶縁体２５０と、導電体２６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物２５２を設けることで、導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
【０１５１】なお、金属酸化物２５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物２５２として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物２５２の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
【０１５２】また、金属酸化物２５２は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物２５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
【０１５３】トランジスタ２００において、金属酸化物２５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁体の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
【０１５４】金属酸化物２５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁体として機能する場合は、絶縁体２５０と、金属酸化物２５２との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体２５０、および金属酸化物２５２との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
【０１５５】具体的には、金属酸化物２５２として、酸化物２３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物２５２として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０１５６】特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物２５２は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
【０１５７】第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
【０１５８】導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０、および金属酸化物２５２が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
【０１５９】また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０１６０】また、導電体２６０の上に、バリア膜として機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２７０よりも上方からの酸素で導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体２７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０１６１】また、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置してもよい。絶縁体２７１を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。導電体２６０をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７５を所望の形状に形成することができる。
【０１６２】なお、絶縁体２７１に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体２７０は設けなくともよい。
【０１６３】バッファ層として機能する絶縁体２７５は、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。
【０１６４】例えば、絶縁体２７５として、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
【０１６５】また、絶縁体２７５は、絶縁体２５０、および絶縁体２２４と同様に、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。その場合、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０を、絶縁体２７３が有する開口部を介して、絶縁体２７５と接して設けるとよい。絶縁体２８０が有する過剰酸素が、絶縁体２７３が有する開口部、絶縁体２７５、絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に効果的に供給される。
【０１６６】絶縁体２７３は、少なくとも酸化物２３０の低抵抗化した領域２４２上に設けられる。ここで、絶縁体２２４、または絶縁体２７５の一方、または両方を露出する開口部２７３ｈを有する。
【０１６７】酸化物２３０は、絶縁体２７３を介して、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と重畳する。従って、過剰酸素は、絶縁体２８０から直接、酸化物２３０に拡散することなく、他の構造体（例えば、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２７５など）を介して、供給される。また、絶縁体２７３を有することで、絶縁体２８０と、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２７５とは、接する領域が限定される。そのため、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、酸化物２３０に過剰に拡散することを抑制することができる。
【０１６８】絶縁体２７３は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０１６９】なお、絶縁体２８０が有する開口部２７３ｈは、トランジスタ２００の形状、サイズ、集積度、またはレイアウトに応じて適宜設計すればよい。例えば、開口部２７３ｈの形状を、円形状、または多角形状のホール、溝、またはスリットなどとしてもよい。
【０１７０】つまり、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、絶縁体２２４を介して、酸化物２３０の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、開口部２７３ｈを有する絶縁体２７３を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、適量値を超えて酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
【０１７１】続いて、絶縁体２７３の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
【０１７２】ここで、絶縁体２８０は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を、開口部を有する絶縁体２７３を介して、トランジスタ２００の近傍に設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０１７３】過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
【０１７４】具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
【０１７５】また、絶縁体２８０が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２８２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。
【０１７６】絶縁体２８０上に酸素の拡散を抑制する絶縁体２８２を設けることで、絶縁体２８４側への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。従って、酸化物２３０に、過剰酸素を効率よく供給することができる。
【０１７７】例えば、絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２８０の不純物を低減することができる。また、絶縁体２８２上に絶縁体２１０と同様の絶縁体２８４を設けてもよい。
【０１７８】絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄを配置する。導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄの上面の高さは、絶縁体２８４の上面と、同一平面上としてもよい。
【０１７９】導電体２４０ｓは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２４２ｓと接しており、導電体２４０ｄはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２４２ｄと接している。よって、導電体２４０ｓはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｄはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
【０１８０】なお、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｓが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２４２ｓが位置しており、導電体２４０ｓが領域２４２ｓと接する。同様に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｄが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２４２ｄが位置しており、導電体２４０ｄが領域２４２ｄと接する。
【０１８１】ここで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄは、酸化物２３０の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ３側の側面、およびＡ４側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが、ソース領域またはドレイン領域となる領域２４２および酸化物２３０の側面と重畳する構成とすることで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとトランジスタ２００のコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとトランジスタ２００の接触抵抗を低減することとができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。
【０１８２】導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄは積層構造としてもよい。
【０１８３】また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０１８４】また、図示しないが、導電体２４０ｓの上面、および導電体２４０ｄの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
【０１８５】＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
【０１８６】＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０１８７】また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０１８８】可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
【０１８９】＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
【０１９０】例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
【０１９１】また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
【０１９２】また、比誘電率が低い絶縁体としては、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
【０１９３】また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【０１９４】また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。
【０１９５】水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
【０１９６】例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０１９７】特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
【０１９８】例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
【０１９９】上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
【０２００】絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１および絶縁体２８４は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０２０１】絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７０、および絶縁体２８２としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体２７０としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
【０２０２】＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【０２０３】また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
【０２０４】なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
【０２０５】特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
【０２０６】導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、および導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
【０２０７】＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
【０２０８】金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０２０９】ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０２１０】なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【０２１１】［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【０２１２】なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【０２１３】ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【０２１４】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【０２１５】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【０２１６】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【０２１７】すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【０２１８】［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
【０２１９】ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
【０２２０】ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
【０２２１】また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
【０２２２】ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
【０２２３】ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０２２４】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０２２５】酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【０２２６】［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【０２２７】なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【０２２８】ここで、金属酸化物の電気伝導の仮説の一例について説明する。
【０２２９】固体中の電気伝導は、散乱中心と呼ばれる散乱源によって阻害される。例えば、単結晶シリコンの場合、格子散乱とイオン化不純物散乱が、主な散乱中心であることが知られている。換言すると、格子欠陥および不純物の少ない本質的な状態のとき、固体中の電気伝導の阻害要因がなく、キャリアの移動度は高い。
【０２３０】上記のことは、金属酸化物に対しても、あてはまると推測される。例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、酸素欠損が多く存在すると考えられる。この酸素欠損周りに存在する原子は、本質的な状態よりも、歪んだ場所に位置する。この酸素欠損による歪みが散乱中心となっている可能性がある。
【０２３１】また、例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、過剰酸素が存在する。金属酸化物中で遊離した状態で存在する過剰酸素は、電子を受け取ることで、Ｏ−やＯ２−になる。Ｏ−やＯ２−となった過剰酸素が散乱中心になる可能性がある。
【０２３２】以上のことから、金属酸化物が、化学量論的組成を満たす酸素を含む本質的な状態を有する場合、キャリアの移動度は高いと考えられる。
【０２３３】インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、とくに、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。これは、大きな結晶を形成するよりも、小さな結晶同士が連結する方が、歪みエネルギーが緩和されるためと考えられる。
【０２３４】なお、小さな結晶同士が連結する領域においては、該領域の歪みエネルギーを緩和するために、欠陥が形成される場合がある。したがって、該領域に欠陥を形成することなく、歪みエネルギーを緩和させることで、キャリアの移動度を高くすることができる。
【０２３５】また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０２３６】また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【０２３７】また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２３８】したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０２３９】また、トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
【０２４０】２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
【０２４１】また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見された（非特許文献３参照。）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
【０２４２】非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
【０２４３】金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照。）。
【０２４４】また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照。）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
【０２４５】ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
【０２４６】［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【０２４７】金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２４８】また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【０２４９】また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、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。
【０２５０】また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【０２５１】不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【０２５２】［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ−Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
【０２５３】金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
【０２５４】また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、しきい値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、熱履歴の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
【０２５５】金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ−Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ−Ｏ結合とは、熱履歴の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ−Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱履歴または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱履歴に対する耐性、ストレス試験における耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
【０２５６】亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ−Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
【０２５７】また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
【０２５８】また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されていると推測される。
【０２５９】また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
【０２６０】上記の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
【０２６１】弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
【０２６２】真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
【０２６３】また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
【０２６４】以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
【０２６５】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図３乃至図１３を用いて説明する。また、図３乃至図１３において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
【０２６６】まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２１０の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
【０２６７】なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ  ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ  ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法に分けることができる。
【０２６８】プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを抑制することが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【０２６９】また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを抑制することが可能な成膜方法である。よって、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
【０２７０】ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
【０２７１】ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
【０２７２】本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
【０２７３】次に絶縁体２１０上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０２７４】次に、絶縁体２１２に、絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、開口を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
【０２７５】開口の形成後に、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３の第１の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２７６】本実施の形態では、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体２０３の第１の導電体としてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体２０３の第２の導電体で銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３の第１の導電体から外に拡散するのを抑制することができる。
【０２７７】次に、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０３の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０３の第２の導電体となる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
【０２７８】次に、ＣＭＰ（化学的機械研磨）処理を行うことで、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜、ならびに導電体２０３の第２の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜、ならびに導電体２０３の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３の第１の導電体および導電体２０３の第２の導電体を含む導電体２０３を形成することができる（図３参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。
【０２７９】次に、絶縁体２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
【０２８０】次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０２８１】次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
【０２８２】開口の形成後に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜を成膜する。導電体２０５の第１の導電体となる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５の第１の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２８３】本実施の形態では、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
【０２８４】次に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２８５】本実施の形態では、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
【０２８６】次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、ならびに導電体２０５の第２の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体を含む導電体２０５を形成することができる（図３参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
【０２８７】次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２０として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０２８８】次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を低減することができる。
【０２８９】絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２９０】次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図３参照。）。本実施の形態では、絶縁体２２４として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０２９１】続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
【０２９２】本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該熱処理により、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
【０２９３】また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
【０２９４】ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
【０２９５】次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図３参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
【０２９６】酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２９７】例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
【０２９８】特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
【０２９９】また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
【０３００】本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
【０３０１】次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【０３０２】次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図４参照。）。
【０３０３】ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０３０４】また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
【０３０５】なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
【０３０６】リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。
【０３０７】また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化膜２３０Ｂ上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。当該酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
【０３０８】ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
【０３０９】また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
【０３１０】上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
【０３１１】ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
【０３１２】続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
【０３１３】次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化物２３０ｃとなる酸化膜２３０Ｃを成膜する（図５参照。）。
【０３１４】酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物２３０ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
【０３１５】続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａ、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを順に成膜する（図５参照。）。
【０３１６】まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
【０３１７】なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
【０３１８】また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
【０３１９】続いて、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを成膜する。金属酸化膜２５２Ａとして、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。金属酸化膜２５２Ａの形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で金属酸化膜２５２Ａを形成することで、絶縁膜２５０Ａ中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａに添加された過剰酸素は、酸化物２３０に酸素を供給することで、酸化物２３０中の酸素欠損を補償することができる。
【０３２０】ここで、金属酸化膜２５２Ａを成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、金属酸化膜２５２Ａを成膜しながら、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４に酸素を導入することができる。また、金属酸化膜２５２Ａに、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることで、絶縁膜２５０Ａに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。
【０３２１】また、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、導電膜２６０Ａとして、窒化チタンを成膜し、導電膜２６０Ｂとして、タングステンを成膜するとよい。
【０３２２】例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、金属酸化膜２５２Ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体を用いた場合、金属酸化膜２５２Ａは、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能する。そこで、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が金属酸化膜２５２Ａに拡散し、金属酸化膜２５２Ａが低抵抗化する。また、導電膜２６０Ａの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により、金属酸化膜２５２Ａが低抵抗化する。従って、金属酸化膜２５２Ａのキャリア密度が高くなり、金属酸化膜２５２Ａの導電性が高くなる。
【０３２３】また、導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
【０３２４】続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、金属酸化膜２５２Ａから、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素が添加され、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素領域を容易に形成することができる。
【０３２５】絶縁膜２７０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２７０Ａは、バリア膜として機能するため、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を抑制することができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０３２６】絶縁膜２７１Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７５Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７５を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。
【０３２７】次に、絶縁膜２７１Ａを、エッチングし、絶縁体２７１を形成する。ここで、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、および絶縁体２７０の側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。
【０３２８】次に、絶縁体２７１をマスクとして、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７０を形成する（図６参照。）。
【０３２９】また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１は、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
【０３３０】また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面は、同一面内であることが好ましい。
【０３３１】また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０は、酸化物２３０の上面に対する角度が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０３３２】なお、上記加工後も、当該ハードマスク（絶縁体２７１）は除去せずに後工程を進めてもよい。
【０３３３】続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０、および絶縁体２７１を介して、絶縁体２２４、および酸化物２３０上に膜２４１Ａを成膜する（図７参照。）。なお、膜２４１Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４１Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４１Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４１Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３３４】続いて、熱処理を行う（図７参照。図中波線は熱処理を表す。）。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４１Ａから、膜２４１Ａの成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が膜２４１Ａへと、拡散し、酸化物２３０と、膜２４１Ａが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物２３０と膜２４１Ａとが、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３３５】ここで、膜２４１Ａの金属元素、および酸化物２３０の金属元素により、金属化合物が形成されることで低抵抗化した領域を、領域２４２とする。なお、膜２４１Ａと、酸化物２３０との界面に、化合物層が形成されていてもよい。ここで、化合物層とは、膜２４１Ａの成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。また、本明細書において、領域２４２は、化合物層を含める場合がある。例えば、化合物層として、酸化物２３０の金属元素と、膜２４１Ａの金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３３６】加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。
【０３３７】また、酸化物２３０と膜２４１Ａとの界面近傍における酸素が膜２４１Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０と膜２４１Ａとの界面近傍が、低抵抗化する。一方、膜２４１Ａは、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。
【０３３８】また、加熱処理により、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、高抵抗化した膜２４１Ａは、層間膜として用いてもよい。
【０３３９】また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０３４０】例えば、膜２４１Ａに、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４１Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０３４１】なお、膜２４１Ａは除去してもよい。例えば、除去する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜２４１Ａを除去することで、膜２４１Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００中の不純物である水素を低減することができる。
【０３４２】上記構成とすることで、酸化物２３０の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
【０３４３】なお、領域２４２を形成する工程は、絶縁体２７５を形成した後に行ってもよい。その場合、酸化物２３０と絶縁体２７５とが重畳する領域には、低抵抗領域が形成されない場合がある。つまり、酸化物２３０の領域２４２と領域２３４との間に、領域２４２よりも抵抗値が高い領域（以下、Ｌｏｆｆ領域ともいう）が形成される場合がある。領域２４２と、領域２３４の間に、Ｌｏｆｆ領域を有することで、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
【０３４４】したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０３４５】次に、酸化物２３０、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７５Ａを成膜する（図８参照。）。
【０３４６】絶縁膜２７５Ａは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜２７５Ａに用いると、後の工程で絶縁体２７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
【０３４７】次に、絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面に、絶縁体２７５を形成する（図９参照。）。なお、当該工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
【０３４８】なお、図示しないが、絶縁体２２４の側面にも絶縁体２７５が残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、絶縁体２２４の側面に接して絶縁体２７５の残存した構造体が形成されていることで、絶縁体２２４にも過剰酸素領域を設けることができる。
【０３４９】続いて、絶縁体２７５、酸化物２３０上に絶縁体２７３となる絶縁膜２７３Ａを成膜する（図１０参照。）。
【０３５０】また、絶縁膜２７３Ａは、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体２７３として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
【０３５１】なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物２３０、および絶縁体２７５から水素、および水を吸収することで、酸化物２３０、および絶縁体２７５の水素濃度を低減することができる。
【０３５２】次に、絶縁膜２７３Ａに、開口部２７３ｈを設けることで、絶縁体２７３を形成する（図１１参照）。開口部２７３ｈの形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、開口部２７３ｈは、絶縁体２７５、または絶縁体２２４が露出するように設ける。開口部２７３ｈは、トランジスタ２００の形状、サイズ、集積度、またはレイアウトに応じて適宜設計すればよい。例えば、開口部２７３ｈの形状を、円形状、または多角形状のホール、溝、またはスリットなどとしてもよい。
【０３５３】つまり、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、絶縁体２２４、絶縁体２７５、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、開口部２７３ｈを有する絶縁体２７３を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、適量値を超えて酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
【０３５４】次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２８０を成膜する（図１２参照。）。絶縁体２８０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体２８０として、酸化窒化シリコンを用いるとよい。
【０３５５】次に、絶縁体２８０の一部を除去する。絶縁体２８０は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２８０は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、ＣＭＰ処理を用いる。ただし、絶縁体２８０の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
【０３５６】続いて、絶縁体２８０に、過剰酸素領域を設ける。絶縁体２８０に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２８０に、酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入し、酸素を過剰に含有する領域を形成する。
【０３５７】例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いて、絶縁体２８０に酸素イオンを導入することができる。例えば、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いて、イオン注入法により、処理を行えばよい。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。
【０３５８】特に、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注入法、プラズマ処理などを用いることで、処理条件を適宜設定することができる。従って、トランジスタの形状、サイズ、集積度、またはレイアウトに応じて、絶縁体２８０が有する過剰酸素量を調整、または制御することができる。
【０３５９】続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する（図１３参照。）。絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。当該構造とすることで、絶縁体２８２よりも下層の構造に水素の侵入を防ぐことができる。また、絶縁体２８０中の水素、または水が、絶縁体２８２へと吸収されるため、絶縁体２８０中の不純物濃度を低減することができる。
【０３６０】また、酸素導入処理の一例として、絶縁体２８０上に、スパッタリング装置を用いて、酸化物を積層する方法がある。例えば、絶縁体２８２を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２８２を成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を導入することができる。
【０３６１】続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８４を形成する（図１３参照。）。例えば、絶縁体２８４として、ＣＶＤ法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体２８４は、絶縁体２８２よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０３６２】次に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に、酸化物２３０に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが酸化物２３０の側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の側面が露出するように、当該開口を形成する。
【０３６３】次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３６４】ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に開口を形成する際に、領域２４２の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との間のコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０３６５】次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８４を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄを形成することができる（図１参照。）。
【０３６６】以上により、トランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図３乃至図１３に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作成することができる。
【０３６７】本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３６８】以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０３６９】＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１４および図１５を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【０３７０】ここで、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
【０３７１】なお、図１４および図１５に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
【０３７２】以下、半導体装置の構成についてそれぞれ図１４および図１５用いて説明する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
【０３７３】［半導体装置の変形例１］
図１４に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、酸化物２３０ａに替えて、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２を設けたことが異なる。なお、酸化物２３０ａ１は、酸化物２３０ｂの領域２３４と重畳する領域に、スリットまたは開口部を有する。従って、酸化物２３０ａ１上に設けられた酸化物２３０ａ２は、当該スリットを介して、絶縁体２２４と接する。
【０３７４】なお、上記スリット、または開口部を形成する際に、絶縁体２２４の一部を除去してもよい。また、例えば、当該加工を行う際に、絶縁体２２２は、エッチングストッパ膜として機能してもよい。
【０３７５】また、酸化物２３０ａ１は、酸化物２３０ａ２、および酸化物２３０ｂよりも、酸素の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。具体的には、酸化物２３０に、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）を用いた場合、金属原子の総原子数に対するＺｎの原子数の割合が大きくなると、酸素の拡散を抑制する機能が高くなる傾向がある。従って、酸化物２３０ａ１は、酸化物２３０ａ２、および酸化物２３０ｂよりも、金属原子の総原子数に対するＺｎの原子数の割合が大きいＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いるとよい。
【０３７６】上記構成により、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２７３の開口部２７３ｈ、および絶縁体２２４を介して、酸化物２３０へ供給する際に、酸化物２３０ａ１よりも、酸化物２３０ａ２へ拡散する蓋然性が高くなる。また、酸化物２３０ａ１が有するスリットは、酸化物２３０の領域２３４と重畳する領域と重畳しているため、過剰酸素は、酸化物２３０の領域２３４に生じた酸素欠損を、優先的に補償する。従って、チャネル形成領域として機能する酸化物２３０の領域２３４を高純度真性とすることができる。
【０３７７】従って、電気特性の変動が少ない、信頼性が高いトランジスタを提供することができる。また、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０３７８】［半導体装置の変形例２］
図１５に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０と層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４との間に、バリア層として機能する絶縁体２７６（絶縁体２７６ｓ、および絶縁体２７６ｄ）を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体２７６、および絶縁体２８２は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。
【０３７９】具体的には、図１５に示すように、導電体２４０と、絶縁体２８０、およびバリア性を有する絶縁体２８２との間に絶縁体２７６を設けるとよい。特に、絶縁体２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２と接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２８２とが接して設けられることで、絶縁体２７６が絶縁体２８４まで延在し、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
【０３８０】つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体２７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。
【０３８１】絶縁体２７６には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０３８２】また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０を、平坦化しなくともよい。その場合、絶縁体２８２の被膜性が低下するため、絶縁体２８３を設けてもよい。なお、絶縁体２８３は、絶縁体２８２と同様に、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２８３は、ＡＬＤ法を用いて、成膜することが好ましい。ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有するためである。
【０３８３】また、その場合、絶縁体２８４が、凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。本構造とすることで、トランジスタ２００上に他の構造体の形成が容易となり、高集積化が可能となる。
【０３８４】なお、絶縁体２８０の平坦化を行わないことで、絶縁体２８０が有する過剰酸素量の導出が容易になる。つまり、絶縁体２８０の体積は、絶縁体２８０が有することができる過剰酸素量に影響する。絶縁体２８０の平坦化を行わないことで、絶縁体２８０の体積は、成膜膜厚により概算することができるため、トランジスタ、および回路設計が容易になる。
【０３８５】また、絶縁体２７５は、必ずしも形成しなくともよい。例えば、絶縁体２７３が有する開口部２７３ｈが、絶縁体２２４上にのみ設けられる場合、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２２４から供給される。つまり、過剰酸素が、絶縁体２５０を介さず、酸化物２３０の下方のみから供給される構造である場合、絶縁体２７５は必ずしも設けなくともよい。
【０３８６】なお、絶縁体２７５を設けない場合は、酸化物２３０に生じた酸素欠損が、絶縁体２２４から拡散する過剰酸素で、過不足なく補償されるように、絶縁体２８０が有する過剰酸素量、開口部２７３ｈから、酸化物２３０の領域２３４の距離などを設計するとよい。
【０３８７】以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０３８８】（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図１６乃至図１８を用いて説明する。
【０３８９】＜記憶装置＞
図１６（Ａ）、および図１６（Ｂ）に記憶装置を構成するセル６００を示す。セル６００は、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを有している。図１６（Ａ）は、セル６００の上面図である。また、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１６（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。
【０３９０】セル６００は、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂを有し、トランジスタ２００ａの上に重畳して容量素子１００ａを有し、トランジスタ２００ｂの上に重畳して容量素子１００ｂを有する。セル６００では、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂ、および容量素子１００ａと容量素子１００ｂは、線対称に配置される場合がある。よって、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは同様の構成を有することが好ましく、容量素子１００ａと容量素子１００ｂは同様の構成を有することが好ましい。
【０３９１】トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂ上の絶縁体２８４の上に絶縁体１３０を有し、絶縁体１３０の上に絶縁体１５０を有する。ここで、絶縁体１５０は、絶縁体２８４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
【０３９２】さらに、絶縁体１５０の上に導電体１６０を有する。また、絶縁体２８０、絶縁体２８４、絶縁体１３０、および絶縁体１５０に形成された開口に埋め込まれるように導電体２４０が設けられる。導電体２４０の下面は領域２４２と接し、導電体２４０の上面は導電体１６０と接している。
【０３９３】トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂは、上記実施の形態に示すトランジスタ２００を用いることができる。よって、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂの構成については、上記トランジスタ２００の記載を参酌することができる。また、図１６（Ａ）、および図１６（Ｂ）において、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂの要素の符号は省略している。なお、図１６（Ａ）、および図１６（Ｂ）に示すトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂは一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０３９４】トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは、両方とも酸化物２３０に形成されており、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、共有されている。よって、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、導電体２４０と電気的に接続している。これにより、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂのコンタクト部が共有され、プラグとコンタクトホールの数を低減することができる。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共有することで、メモリセルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。
【０３９５】［容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂ］
図１６（Ａ）、および図１６（Ｂ）に示すように、容量素子１００ａは、トランジスタ２００ａと重畳する領域に設ける。同様に、容量素子１００ｂは、トランジスタ２００ｂと重畳する領域に設ける。なお、容量素子１００ｂは、容量素子１００ａが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。以下において、容量素子１００ａの詳細な構造について説明するが、特にことわりが無い限り容量素子１００ｂについては、容量素子１００ａの説明を参酌することができる。
【０３９６】容量素子１００ａは、導電体１１０、絶縁体１３０、絶縁体１３０上の導電体１２０を有する。ここで、導電体１１０および導電体１２０は、導電体２０３、導電体２０５、または導電体２６０などに用いることができる導電体を用いればよい。
【０３９７】容量素子１００ａは、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４が有する開口に形成されている。当該開口の、底面、および側面において、下部電極として機能する導電体１１０と、上部電極として機能する導電体１２０が、誘電体として機能する絶縁体１３０を挟んで対向する構成である。ここで、容量素子１００ａの導電体１１０は、トランジスタ２００ａのソースまたはドレインの他方に接して形成されている。
【０３９８】特に、絶縁体２８０、および絶縁体２８４が有する開口の深さを深くすることで、投影面積は変わらず、容量素子１００ａの静電容量を大きくすることができる。従って、容量素子１００ａは、シリンダー型（底面積よりも、側面積の方が大きい）とすることが好ましい。
【０３９９】上記構成とすることで、容量素子１００ａの単位面積当たりの静電容量を大きくでき、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。また、絶縁体２８０、および絶縁体２８４の膜厚により、容量素子１００ａの静電容量の値を、適宜設定することができる。従って、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。
【０４００】また、絶縁体１３０は、誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
【０４０１】また、絶縁体１３０は、積層構造であってもよい、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などから、２層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子１００ａとすることができる。
【０４０２】なお、導電体１１０、または導電体１２０は、積層構造であってもよい。例えば、導電体１１０、または導電体１２０は、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料と、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料と、の積層構造としてもよい。また、導電体１１０、または導電体１２０は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。
【０４０３】［セルアレイの構造］
次に、上記のセルを行列またはマトリクス状に配置した、セルアレイの一例について、図１７を用いて説明する。
【０４０４】図１７は、図１６に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図１７では、配線ＢＬの延伸方向をｘ方向とし、配線ＷＬの延伸方向をｙ方向とし、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ方向とする。なお、図１７では、セルを３×３個配置する例を示しているが、本実施の形態はこれに限られることなく、セルアレイに含まれるメモリセルまたは配線等の、個数及び配置は、適宜設定すればよい。
【０４０５】図１７に示すように、セルを構成するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方が共通の配線ＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該配線ＢＬは、ｘ方向に配列されたセル６００が有するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、セル６００を構成する、トランジスタ２００ａの第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの第１のゲートは、それぞれ異なる配線ＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、これらの配線ＷＬは、ｙ方向に配列されたセル６００が有する、トランジスタ２００ａの第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの第１のゲートと、それぞれ電気的に接続する。
【０４０６】また、セル６００が有する、容量素子１００ａの一方の電極、および容量素子１００ｂの一方の電極は、配線ＰＬと電気的に接続する。例えば、配線ＰＬはｙ方向に延伸して形成すればよい。
【０４０７】また、各セル６００が有するトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。当該ＢＧはトランジスタ４００と接続されており、ＢＧに印加される電位は、トランジスタ４００によって制御することができる。
【０４０８】例えば、図１７に示すように、導電体１６０をｘ方向に延伸させて配線ＢＬとして機能させ、導電体２６０をｙ方向に延伸させて配線ＷＬとして機能させ、導電体１２０をｙ方向に延伸させて配線ＰＬとして機能させることができる。また、導電体２０３をｙ方向に延伸させてＢＧに接続する配線として機能させることもできる。
【０４０９】また、図１７に示すように、セル６００が有する容量素子１００ｂの一方の電極として機能する導電体１２０が、セル６０１が有する容量素子１００ａの一方の電極をも兼ねる構成とすることが好ましい。また、図示しないが、セル６００が有する容量素子１００ａの一方の電極として機能する導電体１２０が、セル６００の左側に隣接するセルの容量素子の一方の電極を兼ねている。セル６０１の右側のセルについても同様の構成となっている。従って、セルアレイを構成することができる。当該セルアレイの構成とすることで、隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくすることができ、高集積化が可能となる。
【０４１０】また、酸化物２３０および配線ＷＬをマトリクス状に配置することで、図１７に示す回路図の半導体装置を形成することができる。ここで、配線ＢＬは、配線ＷＬおよび酸化物２３０とは異なる層に設けることが好ましい。特に、配線ＢＬよりも、下層に容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを設けることで、酸化物２３０の長辺方向と、配線ＢＬが、概略平行になるレイアウトを実現することができる。従って、セルのレイアウトを単純化することができ、設計の自由度が向上し、工程コストを低減することができる。
【０４１１】例えば、酸化物２３０および配線ＷＬは、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と概略直交するように設けてもよい。また、例えば、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と直交せず、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向に、直交以外の角度を有して配置されるレイアウトにしてもよい。０°よりも大きく９０°よりも小さい角度を有して、配置することにより、例えば、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂと、配線ＢＬとが、交錯することなく配置することができるので、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂが、ｚ方向に伸長することができ、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂの容量を大きくすることができる。好ましくは、酸化物２３０の長辺と配線ＷＬのなす角が、２０°以上７０°以下、好ましくは３０°以上６０°以下になるように、酸化物２３０と配線ＷＬを設ければよい。
【０４１２】また、当該セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
【０４１３】以上のように、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４１４】以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０４１５】（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１８および図１９を用いて説明する。
【０４１６】＜記憶装置＞
図１８および図１９に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図１８は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図１９には、トランジスタ３００近傍のトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図を示す。
【０４１７】トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に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、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
【０４１８】図１８に示す記憶装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４１９】図１８および図１９に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０４２０】情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、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。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
【０４２１】トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
【０４２２】次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮ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、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
【０４２３】＜記憶装置の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【０４２４】トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
【０４２５】トランジスタ３００は、図１８に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
【０４２６】トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
【０４２７】半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
【０４２８】低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
【０４２９】ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
【０４３０】なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
【０４３１】なお、図１８に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０４３２】トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
【０４３３】絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
【０４３４】絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
【０４３５】また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
【０４３６】水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０４３７】水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【０４３８】なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２４の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０４３９】また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
【０４４０】各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
【０４４１】絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１８において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０４４２】なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０４４３】なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
【０４４４】絶縁体３５０、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１８において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０４４５】なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０４４６】また、絶縁体３６４、および導電体３６６上に、複数の配線層を設けてもよい。例えば、図１８において、絶縁体３７０、および絶縁体３７２が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２には、導電体３７６が形成されている。さらに、絶縁体３８２、および絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３７６、導電体３８６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお、絶縁体３７２と絶縁体３８２との間に、複数の配線層を、設計に応じて適宜設けてもよい。
【０４４７】上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
【０４４８】絶縁体３８４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
【０４４９】例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
【０４５０】水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０４５１】また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【０４５２】特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０４５３】また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０４５４】また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０４５５】特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０４５６】絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図２６に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０４５７】トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。
【０４５８】絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【０４５９】特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０４６０】また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８３が設けられている。絶縁体２８３は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０４６１】また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
【０４６２】導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２４６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０４６３】続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。
【０４６４】また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体１１０は、容量素子１００の電極としての機能を有する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
【０４６５】導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
【０４６６】図１８では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
【０４６７】また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
【０４６８】例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
【０４６９】絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
【０４７０】導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
【０４７１】本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【０４７２】（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に示す半導体装置を用いたインバータ回路について説明を行う。なお、本明細書中において、高電源電圧をＨレベル（又はＶＤＤ）、低電源電圧をＬレベル（又はＧＮＤ）と呼ぶ場合がある。
【０４７３】＜インバータ回路の構成例＞
図２０（Ａ）に示す回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１と、直列に接続されたトランジスタＭ１、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３と、を有する。回路ＩＮＶは、インバータ回路としての機能を有する。
【０４７４】トランジスタＭ１乃至Ｍ３はｎチャネル型トランジスタである。回路ＩＮＶはｎチャネル型のトランジスタのみで構成されているので、ＣＭＯＳトランジスタで構成されるインバータ回路と比べて、製造コストを低減させることができる。
【０４７５】トランジスタＭ１乃至Ｍ３として、上記実施の形態に示すトランジスタ２００を用いることが好ましい。
【０４７６】トランジスタＭ１は、互いに電気的に接続された第１ゲートと第２ゲートを有する。第１ゲートと第２ゲートとは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有する。トランジスタＭ２、Ｍ３についても同様である。なお、第１ゲートをフロントゲート、第２ゲートをバックゲートという場合がある。
【０４７７】回路ＩＮＶは、端子ＩＮ、端子ＯＵＴ、端子ＣＬＫおよび端子ＣＬＫＢを有する。端子ＩＮは入力端子として機能し、端子ＯＵＴは出力端子として機能する。端子ＣＬＫはクロック信号が入力され、端子ＣＬＫＢは端子ＣＬＫに入力されるクロック信号の反転信号が入力される。
【０４７８】また、回路ＩＮＶは、電源電圧としてＶＤＤ、ＶＳＳが供給される。ＶＤＤは、高電源電圧であり、トランジスタＭ１のドレインに入力される。ＶＳＳは、低電源電圧であり、トランジスタＭ３のソースに入力される。
【０４７９】トランジスタＭ１において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ２のドレインに電気的に接続される。
【０４８０】トランジスタＭ２において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫＢに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ３のドレインに電気的に接続される。
【０４８１】トランジスタＭ３において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＩＮに電気的に接続される。
【０４８２】容量素子Ｃ１の第１端子はトランジスタＭ１のソースに電気的に接続される。容量素子Ｃ１の第２端子はＶＳＳが入力される。
【０４８３】端子ＯＵＴは、トランジスタＭ１のソース、トランジスタＭ２のドレインおよび容量素子Ｃ１の第１端子に電気的に接続される。
【０４８４】なお、容量素子Ｃ１は配線の寄生容量やトランジスタのゲート容量で代用してもよい。その場合、これら半導体装置の占有面積を小さくすることができる。
【０４８５】次に、回路ＩＮＶの動作について説明を行う。
【０４８６】図２０（Ｂ）は回路ＩＮＶの動作を説明するためのタイミングチャートである。それぞれ、端子ＩＮ、ＣＬＫ、ＣＬＫＢ、ＯＵＴの電位変化を表している。また、図２０（Ｂ）を期間Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３つの期間に分類している。
【０４８７】端子ＩＮは、期間Ｐ１乃至Ｐ３の間、Ｈレベルが与えられている。すなわち、期間Ｐ１乃至Ｐ３において、トランジスタＭ３はオンになっている。
【０４８８】期間Ｐ１において、端子ＣＬＫに電位ＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢに電位ＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。このとき、容量素子Ｃ１にＶＤＤが供給され、容量素子Ｃ１は充電（プリチャージ）を開始する。
【０４８９】なお、ＶＨは、ＶＤＤとトランジスタＭ１のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を足し合わせた電圧（ＶＤＤ＋Ｖｔｈ）以上にすることが好ましい。そうすることで、端子ＯＵＴにＶＤＤを正確に伝えることができる。ＶＬは低電源電圧（又はＧＮＤ）とすればよい。なお、ＶＨを高電位、ＶＬを低電位と呼ぶ場合もある。
【０４９０】期間Ｐ２において、端子ＣＬＫにＶＬが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＨが入力される。トランジスタＭ１はオフになり、トランジスタＭ２はオンになる。このとき、トランジスタＭ３はオンであるため、容量素子Ｃ１の第１端子とトランジスタＭ３のソースが導通状態になり、容量素子Ｃ１は放電を開始する。最終的に端子ＯＵＴはＬレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
【０４９１】期間Ｐ３において、端子ＣＬＫにＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。期間Ｐ１と同様に、容量素子Ｃ１は再びプリチャージを開始する。
【０４９２】期間Ｐ１乃至Ｐ３における端子ＩＮの入力をＬレベルとした場合、期間Ｐ２において、端子ＯＵＴはＨレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
【０４９３】以上より、回路ＩＮＶは端子ＣＬＫがＶＨのときに容量素子Ｃ１のプリチャージを行い、端子ＣＬＫがＶＬのときにインバータ回路として動作することがわかる。
【０４９４】また、回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１の充電と放電を繰り返すことで動作するダイナミックロジック回路として機能することがわかる。トランジスタＭ１は容量素子Ｃ１を充電するプリチャージ用のトランジスタとして機能し、トランジスタＭ２は容量素子Ｃ１に蓄積された電荷を放電するディスチャージ用のトランジスタとして機能する。
【０４９５】トランジスタＭ１乃至Ｍ３は、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。オフ電流が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域に金属酸化物または酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）が挙げられる。なお、ここでオフ電流が小さいとは、トランジスタのオフ電流が、好ましくは１０−１８Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２１Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２４Ａ／μｍ以下のことを言う。
【０４９６】トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、回路ＩＮＶは貫通電流を小さくすることができる。その結果、回路ＩＮＶは消費電力を低減させることができる。
【０４９７】また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子Ｃ１にプリチャージされた電荷が、リーク電流によって失われずに済む。その結果、回路ＩＮＶはより正確にデータを伝えることができる。
【０４９８】トランジスタＭ１は、フロントゲートとバックゲートを電気的に接続することで、フロントゲートとバックゲートから同時に半導体層にゲート電圧を印加することが可能になり、オン電流を増大させることができる。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３についても同様である。その結果、回路ＩＮＶは、動作周波数の高いインバータ回路を実現することができる。
【０４９９】回路ＩＮＶは、端子ＩＮをトランジスタＭ２のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続し、端子ＣＬＫＢをトランジスタＭ３のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続してもよい。
【０５００】また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートは、トップゲートと異なる電位を与えてもよい。例えば、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートに共通の固定電位を与えてもよい。そうすることで、回路ＩＮＶは、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のしきい値電圧を制御することができる。
【０５０１】また、回路ＩＮＶは、場合によっては、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のバックゲートを全て省略してもよい。その場合、回路ＩＮＶは製造工程を簡略化することができる。
【０５０２】以上、回路ＩＮＶは消費電力が小さく単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。また、動作周波数が高く単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。
【０５０３】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５０４】（実施の形態５）
本実施の形態では、図２１乃至図２３を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ。）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭについて説明する。ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）とは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
【０５０５】ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ。）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
【０５０６】＜＜ＮＯＳＲＡＭ＞＞
図２１にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図２１に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
【０５０７】メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
【０５０８】コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
【０５０９】行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
【０５１０】列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）１６６３を有する。
【０５１１】ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
【０５１２】書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
【０５１３】出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
【０５１４】なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
【０５１５】なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
【０５１６】＜メモリセル＞
図２２（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
【０５１７】メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
【０５１８】図２２（Ａ）の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図２２（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
【０５１９】図２２（Ｃ）−図２２（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図２２（Ｃ）−図２２（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図２２（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
【０５２０】図２２（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
【０５２１】メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
【０５２２】図２２（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
【０５２３】図２２（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
【０５２４】メモリセル１６１１−１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。
【０５２５】上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
【０５２６】図２３はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図２３に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
【０５２７】以下では、図２３に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
【０５２８】メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
【０５２９】メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
【０５３０】さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
【０５３１】図２３に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ。）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
【０５３２】また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
【０５３３】容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
【０５３４】上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
【０５３５】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５３６】（実施の形態６）
本実施の形態では、図２４および図２５を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）とは、「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。ＤＯＳＲＡＭも、ＮＯＳＲＡＭと同様に、ＯＳメモリが適用されている。
【０５３７】＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図２４にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図２４に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ。）を有する。
【０５３８】行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲを有する。
【０５３９】（ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
【０５４０】メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞−１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図２５（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図２５（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
【０５４１】図２５（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される、ペア状の一組のメモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトランジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。
【０５４２】トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジスタＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａのゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。また、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に電気的に接続されている。このように、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）がトランジスタＭＷ１ａの第１端子とトランジスタＭＷ１ｂの第１端子に共通で用いられる。
【０５４３】トランジスタＭＷ１は容量素子ＣＳ１の充放電を制御する機能をもつ。容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。
【０５４４】上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、１４４５ｂに用いる場合、トランジスタＭＷ１ａ、またはトランジスタＭＷ１ｂとしてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＳ１ａ、または容量素子ＣＳ１ｂとして容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
【０５４５】トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
【０５４６】トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
【０５４７】センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞−１４２６＜Ｎ−１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。
【０５４８】ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。
【０５４９】（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
【０５５０】（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
【０５５１】列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
【０５５２】（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
【０５５３】グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
【０５５４】ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
【０５５５】ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
【０５５６】容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
【０５５７】トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
【０５５８】ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
【０５５９】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５６０】（実施の形態７）
本実施の形態では、図２６から図２９を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）について説明する。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリが適用されている。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ−ＦＰＧＡ」と呼ぶ。
【０５６１】＜＜ＯＳ−ＦＰＧＡ＞＞
図２６（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図２６（Ａ）に示すＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替え、細粒度パワーゲーティング、ＮＯＦＦ（ノーマリーオフ）コンピューティングが可能である。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３１１１、ワードドライバ（Ｗｏｒｄ  ｄｒｉｖｅｒ）３１１２、データドライバ（Ｄａｔａ  ｄｒｉｖｅｒ）３１１３、プログラマブルエリア（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ａｒｅａ）３１１５を有する。
【０５６２】プログラマブルエリア３１１５は、２個の入出力ブロック（ＩＯＢ）３１１７、コア３１１９を有する。ＩＯＢ３１１７は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア３１１９は、複数のロジックアレイブロック（ＬＡＢ）３１２０、複数のスイッチアレイブロック（ＳＡＢ）３１３０を有する。ＬＡＢ３１２０は複数のＰＬＥ３１２１を有する。図２６（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図２６（Ｃ）に示すようにＳＡＢ３１３０はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック（ＳＢ）３１３１を有する。ＬＡＢ３１２０は自身の入力端子と、ＳＡＢ３１３０を介して４（上下左右）方向のＬＡＢ３１２０に接続される。
【０５６３】図２７（Ａ）乃至図２７（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図２７（Ａ）に示すＳＢ３１３１には、ｄａｔａ、ｄａｔａｂ、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］、ｗｏｒｄ［１：０］が入力される。ｄａｔａ、ｄａｔａｂはコンフィギュレーションデータであり、ｄａｔａとｄａｔａｂは論理が相補的な関係にある。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０のコンテキスト数は２であり、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］はコンテキスト選択信号である。信号ｗｏｒｄ［１：０］はワード線選択信号であり、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される配線がそれぞれワード線である。
【０５６４】ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、３１３３［１］は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ（ＣＭ）を有する。なお、ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とを区別しない場合、ＰＲＳ３１３３と呼ぶ。他の要素についても同様である。
【０５６５】図２７（Ｂ）にＰＲＳ３１３３［０］の回路構成例を示す。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは同じ回路構成を有する。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］、ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、ｗｏｒｄ［１］はＰＲＳ３１３３［１］に入力される。例えば、ＳＢ３１３１において、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”になることで、ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブになる。
【０５６６】ＰＲＳ３１３３［０］は、ＣＭ３１３５、ＳｉトランジスタＭ３１を有する。ＳｉトランジスタＭ３１は、ＣＭ３１３５により制御されるパストランジスタである。ＣＭ３１３５は、メモリ回路３１３７、３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、３１３７Ｂは同じ回路構成である。メモリ回路３１３７は、容量素子Ｃ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２を有する。メモリ回路３１３７Ｂは、容量素子ＣＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２を有する。
【０５６７】上記実施の形態に示す半導体装置をＳＡＢ３１３０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯＢ３１としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３１、ＣＢ３１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
【０５６８】ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２、ＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
【０５６９】ＳｉトランジスタＭ３１のゲートがノードＮ３１であり、ＯＳトランジスタＭＯ３２のゲートがノードＮ３２であり、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２のゲートがノードＮＢ３２である。ノードＮ３２、ＮＢ３２はＣＭ３１３５の電荷保持ノードである。ＯＳトランジスタＭＯ３２はノードＮ３１と信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］用の信号線との間の導通状態を制御する。ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はノードＮ３１と低電位電源線ＶＳＳとの間の導通状態を制御する。
【０５７０】メモリ回路３１３７、３１３７Ｂが保持するデータは相補的な関係にある。したがって、ＯＳトランジスタＭＯ３２またはＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
【０５７１】図２７（Ｃ）を参照して、ＰＲＳ３１３３［０］の動作例を説明する。ＰＲＳ３１３３［０］にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、ＰＲＳ３１３３［０］のノードＮ３２は“Ｈ”であり、ノードＮＢ３２は“Ｌ”である。
【０５７２】信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｌ”である間はＰＲＳ３１３３［０］は非アクティブである。この期間に、ＰＲＳ３１３３［０］の入力端子が“Ｈ”に遷移しても、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｌ”が維持され、ＰＲＳ３１３３［０］の出力端子も“Ｌ”が維持される。
【０５７３】信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”に遷移すると、ＣＭ３１３５が記憶するコンフィギュレーションデータによって、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｈ”に遷移する。
【０５７４】ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブである期間に、入力端子が“Ｈ”に遷移すると、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２がソースフォロアであるために、ブースティングによってＳｉトランジスタＭ３１のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２は駆動能力を失い、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは浮遊状態となる。
【０５７５】マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレクサの機能を併せ持つ。
【０５７６】図２８にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はＬＵＴ（ルックアップテーブル）ブロック３１２３、レジスタブロック３１２４、セレクタ３１２５、ＣＭ３１２６を有する。ＬＵＴブロック３１２３は、入力ｉｎＡ−ｉｎＤに従って内部の１６ビットＣＭ対の出力をマルチプレクスする構成である。セレクタ３１２５は、ＣＭ３１２６が格納するコンフィギュレーションに従って、ＬＵＴブロック３１２３の出力またはレジスタブロック３１２４の出力を選択する。
【０５７７】ＰＬＥ３１２１は、パワースイッチ３１２７を介して電圧ＶＤＤ用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ３１２７のオンオフは、ＣＭ３１２８が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各ＰＬＥ３１２１にパワースイッチ３１２７を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないＰＬＥ３１２１をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。
【０５７８】ＮＯＦＦコンピューティングを実現するため、レジスタブロック３１２４は、不揮発性レジスタで構成される。ＰＬＥ３１２１内の不揮発性レジスタはＯＳメモリを備えるフリップフロップ（以下［ＯＳ−ＦＦ］と呼ぶ）である。
【０５７９】レジスタブロック３１２４は、ＯＳ−ＦＦ３１４０［１］３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、ｌｏａｄ、ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］に入力される。クロック信号ＣＬＫ１はＯＳ−ＦＦ３１４０［１］に入力され、クロック信号ＣＬＫ２はＯＳ−ＦＦ３１４０［２］に入力される。図２９（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
【０５８０】ＯＳ−ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、Ｒ、Ｄ、Ｑ、ＱＢを有する。ノードＣＫにはクロック信号が入力される。ノードＲには信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓが入力される。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓはリセット信号である。ノードＤはデータ入力ノードであり、ノードＱはデータ出力ノードである。ノードＱとノードＱＢとは論理が相補関係にある。
【０５８１】シャドウレジスタ３１４２は、ＦＦ３１４１のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ３１４２は、信号ｓｔｏｒｅに従いノードＱ、ＱＢのデータをそれぞれバックアップし、また、信号ｌｏａｄに従い、バックアップしたデータをノードＱ、ＱＢに書き戻す。
【０５８２】シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７、メモリ回路３１４３、３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、３１４３Ｂは、ＰＲＳ３１３３のメモリ回路３１３７と同じ回路構成である。メモリ回路３１４３は容量素子Ｃ３６、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６を有する。メモリ回路３１４３Ｂは容量素子ＣＢ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６を有する。ノードＮ３６、ＮＢ３６はＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードＮ３７、ＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７のゲートである。
【０５８３】上記実施の形態に示す半導体装置をＬＡＢ３１２０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯＢ３５としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３６、ＣＢ３６として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
【０５８４】ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６、ＭＯＢ３５、ＭＯＢ３６はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
【０５８５】図２９（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
【０５８６】（バックアップ）
“Ｈ”の信号ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はＦＦ３１４１のデータをバックアップする。ノードＮ３６は、ノードＱのデータが書き込まれることで、“Ｌ”となり、ノードＮＢ３６は、ノードＱＢのデータが書き込まれることで、“Ｈ”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ３１２７をオフにする。ＦＦ３１４１のノードＱ、ＱＢのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしたデータを保持する。
【０５８７】（リカバリ）
パワースイッチ３１２７をオンにし、ＰＬＥ３１２１に電源を供給する。しかる後、“Ｈ”の信号ｌｏａｄがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしているデータをＦＦ３１４１に書き戻す。ノードＮ３６は“Ｌ”であるので、ノードＮ３７は“Ｌ”が維持され、ノードＮＢ３６は“Ｈ”であるので、ノードＮＢ３７は“Ｈ”となる。よって、ノードＱは“Ｈ”になり、ノードＱＢは“Ｌ”になる。つまり、ＯＳ−ＦＦ３１４０はバックアップ動作時の状態に復帰する。
【０５８８】細粒度パワーゲーティングと、ＯＳ−ＦＦ３１４０のバックアップ／リカバリ動作とを組み合わせることで、ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０の消費電力を効果的に低減できる。
【０５８９】メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。ＯＳトランジスタを用いたＯＳメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、ＯＳメモリを搭載することで、信頼性の高いＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を提供することができる。
【０５９０】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５９１】（実施の形態８）
本実施の形態では、図３０を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
【０５９２】図３０はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。
【０５９３】演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００、ＮＯＳＲＡＭ１６００、およびＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を用いることができる。
【０５９４】制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
【０５９５】入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
【０５９６】演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
【０５９７】アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
【０５９８】アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
【０５９９】ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
【０６００】ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭに格納する場合、ＳＲＡＭは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭに比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
【０６０１】ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
【０６０２】また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
【０６０３】また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
【０６０４】ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
【０６０５】ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、ハードウェアで後述する、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
【０６０６】ＦＰＧＡ４０１４はＯＳトランジスタを有するＦＰＧＡである。ＯＳ−ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ−ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
【０６０７】ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
【０６０８】なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
【０６０９】ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも一つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
【０６１０】ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
【０６１１】電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
【０６１２】ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
【０６１３】ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
【０６１４】ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
【０６１５】ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
【０６１６】制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
【０６１７】ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
【０６１８】ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
【０６１９】ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
【０６２０】ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
【０６２１】アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
【０６２２】また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
【０６２３】また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
【０６２４】以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
【０６２５】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０６２６】（実施の形態９）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図３１を用いて説明を行う。
【０６２７】図３１（Ａ）は、図３０で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
【０６２８】図３１（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
【０６２９】また図３１（Ｂ）は、図３０で説明したＡＩシステム４０４１を図３１（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
【０６３０】図３１（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
【０６３１】ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ  Ｗｉｄｅ  Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ  Ｔｅｒｍ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄａｔａ  Ｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  ＧＳＭ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  ２０００）、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
【０６３２】図３１（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
【０６３３】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０６３４】（実施の形態１０）
本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
【０６３５】上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
【０６３６】図３２に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図３２に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
【０６３７】図３２では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
【０６３８】ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
【０６３９】本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０６４０】（実施の形態１１）
図３３（Ａ）に、本発明の一態様を適用した電子機器の一例であるコミュニケーションロボット２２００を示す。コミュニケーションロボット２２００は、演算装置２２０１、接触センサ２２０２、マイクロフォン２２０３、カメラ２２０４、スピーカ２２０５、ディスプレイ２２０６、およびバッテリー２２０７を有する。
【０６４１】コミュニケーションロボット２２００において、演算装置２２０１に本発明の一態様を適用することができる。また、コミュニケーションロボット２２００は、演算装置２２０１において、出荷時に搭載された言語ライブラリおよび各種センサによるセンシング結果等を処理することにより、使用者と会話をすることが可能である。また、コミュニケーションロボット２２００は、使用者の顔や表情を認識することが可能である。
【０６４２】ディスプレイ２２０６は、種々の情報を表示する機能を有する。コミュニケーションロボット２２００は、使用者の望みの情報をディスプレイ２２０６に表示することが可能である。なお、ディスプレイ２２０６は、タッチパネルを搭載していてもよい。また、コミュニケーションロボット２２００は、電話機能を有していてもよい。
【０６４３】図３３（Ｂ）に、本発明の一態様を適応した電子機器の一例である犬型ロボット２２１０を示す。犬型ロボット２２１０は、演算装置２２１１、前部カメラ２２１２、側部カメラ２２１３、接触センサ２２１４、マイクロフォン２２１５、スピーカ２２１６、脚部２２１７およびバッテリー２２１８を有する。
【０６４４】犬型ロボット２２１０において、演算装置２２１１に本発明の一態様を適用することができる。また、犬型ロボット２２１１は、演算装置２２１１において、ネットワーク上の地図情報、各種センサによるセンシング結果等を処理することにより、脚部２２１７を動かして自動走行を行うことや、使用者の安全の確保のために警告を発することが可能である。例えば、犬型ロボット２２１０と使用者とが共に道路を歩いているとき、使用者が赤信号を渡ろうとしている場合等に、スピーカ２２１６等を使用して警告を発することが可能である。
【０６４５】また、犬型ロボット２２１１は、前部カメラ２２１２、側部カメラ２２１３を用いて周囲の状況を認識することが可能である。例えば、ロボット２２１０を設置した家屋に不審者が侵入してきた場合に、スピーカ２２１６を用いて大音量で周囲に警告を発する、または、緊急通報を行う機能を有していてもよい。なお、図３３（Ｂ）においては、犬型ロボット２２１１としたが、これに限定されず、人型、猫型、鳥型など様々な型式のロボットとしてもよい。
【０６４６】図３３（Ｃ）（Ｄ）に、本発明の一態様を適応した電子機器の一例である自動車型ロボット２２２０を示す。自動車型ロボット２２２０は、演算装置２２２１、前部カメラ２２２２、側部カメラ２２２３、スピーカ２２２４、ディスプレイ２２２５、タイヤ２２２６、アーム２２２７、バッテリー２２２８を有する。
【０６４７】自動車型ロボット２２２０は、タイヤ２２２６を動作させることにより移動することが可能である。また、自動車型ロボット２２２０において、演算装置２２２１に本発明の一態様を適用することができる。また、自動車型ロボット２２２０は、演算装置２２２１において、前部カメラ２２２２および側部カメラ２２２３により取得した画像に対して、画像認識を行い、周囲の状況を把握しながら移動することが可能である。例えば、図３３（Ｃ）に示すように、自動車型ロボット２２２０は、障害物２２２９を避けて走行することや（矢印２２３０を参照）、使用者の顔を認識して使用者の方向に向かって行ったりすること等が可能である。
【０６４８】また、自動車型ロボット２２２０は、図３３（Ｃ）に示すように、アーム２２２７を操作して障害物２２２９を持ち上げて移動することが可能である。また、この機能と、スピーカ２２２４、およびディスプレイ２２２５を用いて使用者とゲームをすることも可能である。
【０６４９】また、自動車型ロボット２２２０は、スマートフォンなどの携帯情報端末と接続されていてもよい。例えば、使用者が携帯情報端末上で操作することにより、自動車型ロボット２２２０をコントロールする機能を有していてもよい。
【実施例１】
【０６５０】本実施例では、基板上に成膜した絶縁体９０３に対し、酸素導入処理を行った後、ＴＤＳ測定を行った結果について説明する。なお、本実施例においては、試料１Ａ、試料１Ｂ、試料１Ｃ、試料１Ｄ、および試料１Ｅを作製した。【０６５１】＜各試料の構成と作製方法＞
図３４（Ａ）に、各試料の積層構造を示す。試試料１Ａ、試料１Ｂ、試料１Ｃ、試料１Ｄ、および試料１Ｅは、それぞれ、基板９００と、基板９００上の絶縁体９０１と、絶縁体９０１上の絶縁体９０２と、絶縁体９０２上の絶縁体９０３と、を有する。なお、絶縁体９０２は、絶縁体９０３から絶縁体９０１、および基板９００への過剰酸素の拡散を抑制するため、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いた。また、絶縁体９０３には、過剰酸素領域を形成することができる酸化物を用いた。【０６５２】試料１Ａ、および試料１Ｂは、絶縁体９０３上に、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を成膜することで、絶縁体９０３に過剰酸素領域を形成した。一方、試料１Ｃ、試料１Ｄ、および試料１Ｅには、イオン注入法を用いて酸素イオンを注入することより、絶縁体９０３に過剰酸素領域を形成した。その後、酸素を含まない雰囲気下で、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を成膜した。【０６５３】次に、各試料の作製方法について、説明する。【０６５４】まず、試料１Ａ乃至試料１Ｅにおいて、基板９００として、シリコンウエハを用意した。次に、基板９００上に、絶縁体９０１として、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。【０６５５】続いて、試料１Ａ乃至試料１Ｅにおいて、窒素雰囲気下で６００℃、１時間の加熱処理を行った。【０６５６】次に、絶縁体９０１上に、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体９０２として、ＡＬＤ法により、酸化アルミニウムを１０ｎｍ成膜した。成膜条件は、成膜温度を２５０℃とし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：（ＣＨ３）３Ａｌ）と、オゾンと、を用いて成膜した。【０６５７】続いて、絶縁体９０２上に、絶縁体９０３として、プラズマＣＶＤ法を用いて、１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成した。成膜ガスは、流量５ｓｃｃｍのシラン（ＳｉＨ４）、および流量１０００ｓｃｃｍの一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を用いた。また、反応室の圧力を１３３．３Ｐａとし、基板表度を３２５℃、４５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）の高周波（ＲＦ）電力を印加することで成膜した。【０６５８】ここで、試料１Ｃ乃至試料１Ｅに対し、イオン注入法により絶縁体９０３に、直接酸素イオンを注入した。酸素（１６Ｏ）イオンの注入条件は、チルト０°、ツイスト０°に設定し、加速電圧１０ｋＶとした。【０６５９】なお、試料１Ｃは、ドーズを５．０×１０１４ｃｍ−２とした。なお、試料１Ｄは、ドーズを２．０×１０１５ｃｍ−２とした。なお、試料１Ｅは、ドーズを２．０×１０１６ｃｍ−２とした。【０６６０】続いて、試料１Ａ乃至試料１Ｃに対し、スパッタリング装置を用いて、絶縁体９０３上に酸化アルミニウム膜を４０ｎｍの膜厚で、成膜した。なお、酸化アルミニウム膜は、酸化アルミニウムのターゲットを用い、酸素（Ｏ２）ガスとアルゴンガス（Ａｒ）との混合雰囲気下にて、成膜温度２５０℃、圧力０．４Ｐａ、ターゲットと基板との間の距離を６０ｍｍ、２．５ｋＷの電源電力（ＲＦ）を印加し、成膜した。その後、８５℃のリン酸と硝酸と酢酸を混合した混合溶液（混酸アルミ液ともいう。）を用いて、当該酸化アルミニウム膜を除去��た。【０６６１】なお、試料１Ａは、酸素（Ｏ２）ガス流量を２ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス流量を４８ｓｃｃｍとした。試料１Ａは、酸素（Ｏ２）ガス流量を２５ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス流量を２５ｓｃｃｍとした。一方、試料１Ｃ乃至試料１Ｅは、アルゴン（Ａｒ）ガス流量を５０ｓｃｃｍとした。【０６６２】以上の工程により、本実施例の試料１Ａ乃至試料１Ｅを作製した。なお、下表に、試料１Ａ乃至試料１Ｅにおける酸素導入処理の条件を示した。【０６６３】
【表１】
2019048984.tif 000003
【０６６４】＜各試料のＴＤＳの測定結果＞
各試料において、絶縁体９０３が有する酸素量を測定した。なお、測定方法は、絶縁体９０３に対し、ＴＤＳ分析を行なった。また、当該ＴＤＳ分析においては、酸素分子に相当する質量電荷比ｍ／ｚ＝３２の放出量を測定した。ＴＤＳ分析装置は、電子科学社製ＷＡ１０００Ｓを用い、昇温レートは３０℃／ｍｉｎとした。【０６６５】図３４（Ｂ）は、各試料の酸素分子（Ｏ２）の放出量［個／ｃｍ２］を示す。図３４（Ｂ）に示すように、酸素導入処理を行った試料１Ａ乃至試料１Ｅにおいて、絶縁体９０３は、酸素の放出が確認できた。つまり、絶縁体９０３に、酸素導入処理を行うことで、絶縁体９０３に、過剰酸素領域が形成されることがわかった。【０６６６】試料１Ａ、および試料１Ｂにおける結果より、スパッタリング法を用いて酸化物を成膜する場合、成膜時の酸素流量を調整することで、絶縁体９０３が有する過剰酸素量を調節できることがわかった。【０６６７】試料１Ｃ乃至試料１Ｅにおける結果より、イオン注入法を用いて過剰酸素領域を設ける場合、ドーズ量を調整することで、絶縁体９０３が有する過剰酸素量を調節できることがわかった。【０６６８】以上、本実施例に示す構成は、他の実施例または他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【実施例２】
【０６６９】本実施例では、試料２Ａ乃至試料２Ｅとして、本発明の一態様である図１に記載のトランジスタ２００を有する半導体装置を作製し、トランジスタ２００の電気特性および信頼性試験を行った。【０６７０】＜各試料の構成と作製方法＞
トランジスタ２００のチャネル長は０．３１μｍ、チャネル幅は０．２５μｍとした。また、試料２Ａ乃至試料２Ｅは、同一工程にて、複数個のトランジスタ２００を形成した。なお、トランジスタの密度は０．１４７個／μｍ２とした。【０６７１】また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４として、酸化窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、および酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜は、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、酸化ハフニウム膜は、ＡＬＤ法によって２０ｎｍの膜厚で成膜し、酸化窒化シリコン膜は、ＣＶＤ法によって、３０ｎｍの膜厚で成膜した。【０６７２】酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。酸化物２３０ａは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、５ｎｍ成膜した。酸化物２３０ｂは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、１５ｎｍ成膜した。酸化物２３０ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、５ｎｍ成膜した。【０６７３】絶縁体２５０として、酸化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜した。【０６７４】絶縁体２７３は、酸化アルミニウム膜を、２０ｎｍの膜厚で成膜した。【０６７５】絶縁体２８０は、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を４７０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、ＣＭＰ処理を行ない、酸化窒化シリコン膜を研磨し、酸化窒化シリコン膜の表面を平坦化することで、トランジスタ２００上の絶縁体２８０が、１００ｎｍの膜厚となるように、形成した。【０６７６】絶縁体２８２は、絶縁体２８０上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を４０ｎｍ成膜した。【０６７７】なお、試料２Ａ、および試料２Ｂは、絶縁体２８０上の絶縁体２８２を、酸素を含む雰囲気下にて、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を成膜した。一方、試料２Ｃ、試料２Ｄ、および試料２Ｅには、イオン注入法を用いて酸素イオンを注入することより、絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成し、絶縁体２８０上の絶縁体２８２は、アルゴン雰囲気下にて、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を成膜した。【０６７８】以上の工程より、試料２Ａ乃至試料２Ｅを作製した。なお、下表に、試料２Ａ乃至試料２Ｅにおける酸素導入処理の条件を示した。【０６７９】
【表１】
2019048984.tif 000004
【０６８０】＜トランジスタの電気特性＞
次に、試料２Ａ乃至試料２Ｅの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。【０６８１】なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定では、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する導電体２６０に印加する電位（以下、ゲート電位（Ｖｇ）ともいう）を、第１の値から第２の値まで変化させたときの、ソース電極として機能する導電体２４０ｓとドレイン電極として機能する導電体２４０ｄとの間の電流（以下、ドレイン電流（Ｉｄ）ともいう）の変化を測定する。【０６８２】ここでは、導電体２４０ｓに印加する電位（以下、ソース電位Ｖｓともいう）と導電体２４０ｄに印加する電位（以下、ドレイン電位Ｖｄともいう）との差である電圧（以下、ドレイン電圧ともいう）を＋０．１Ｖ、または＋３．３Ｖとし、ソース電位とゲート電位と差である電圧（以下、ゲート電圧ともいう）を−３．３Ｖから＋３．３Ｖまで変化させたときのドレイン電流（Ｉｄ）の変化を測定した。【０６８３】また、トランジスタの信頼性を調べるために、試料２Ａ乃至試料２Ｅに対し、ＧＢＴ（Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験を行った。ＧＢＴストレス試験は信頼性試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化を、評価することができる。【０６８４】ＧＢＴストレス試験では、トランジスタが形成されている基板を一定の温度に維持し、トランジスタのソース電位とドレイン電位を同電位とし、第１のゲート電位にはソース電位及びドレイン電位とは異なる電位を一定時間与える。本実施例では、試料２Ａ乃至試料２Ｅが形成されている基板の温度を１２５度に１時間維持することで、加速試験とした。なお、トランジスタのソース電位とドレイン電位を０．００Ｖとし、第１のゲート電位を＋３．６３Ｖとした。なお、バックゲート電位は、０．００Ｖに設定した。【０６８５】はじめに、試料２Ａ乃至試料２Ｅに対し、Ｉｄ−Ｖｇ特性の初期特性を測定した。続いて、ＧＢＴストレス試験において、任意の時間が経過した際に、初期特性の測定と同じ条件で、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。【０６８６】本実施例では、０ｓｅｃ経過後、１００ｓｅｃ経過後、３００ｓｅｃ経過後、６００ｓｅｃ経過後、１０００ｓｅｃ経過後、１８００ｓｅｃ経過後、および３６００ｓｅｃ経過後の７回行った。その結果を図３５に示す。なお、０ｓｅｃ経過後の結果を黒の実線、３６００ｓｅｃ経過後の結果を黒の破線とし、０ｓｅｃと３６００ｓｅｃとの間の結果を灰色の実線で示した。【０６８７】また、トランジスタの電気特性の変動量の指標として、トランジスタのしきい値電圧（以下、Ｖｓｈともいう）の経時変化（以下、ΔＶｓｈともいう）を用いた。なお、Ｖｓｈとは、Ｉｄ−Ｖｇ特性において、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の時のＶｇの値と定義する。例えば、ΔＶｓｈは、例えば、ストレス開始時のＶｓｈが＋０．５０Ｖであり、ストレス１００ｓｅｃ経過時のＶｓｈが、−０．５５Ｖであったとすると、ストレス１００ｓｅｃ経過時のΔＶｓｈは、−１．０５Ｖとなる。【０６８８】ＧＢＴストレス試験前後におけるΔＶｓｈのストレス時間依存性を、図３５に示す。【０６８９】図３５より、試料２Ｄのトランジスタのしきい値電圧の変化量（ΔＶｓｈ）が小さいこと��わかった。つまり、試料２Ｄの信頼性は、他の試料よりも、優れていることがわかった。また、試料２Ｃのトランジスタは、特性不良であり、測定不可であった。試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｅは時間が経過するとともに、電気特性の変動が大きいことがわかった。【０６９０】ここで、実施例１の結果より、絶縁体２８０が有する過剰酸素量は、試料２Ｃ、試料２Ｄ、試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｅの順で多くなると推測できる。【０６９１】以上より、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸素欠損を有すると、ノーマリーオフ特性が得られないことがわかった。一方、過剰酸素量が、適量以上である場合、信頼性が低下することがわかった。従って、適切な過剰酸素を供給することで良好な電気特性と、優れた信頼性を有するトランジスタを提供できることが確認できた。【０６９２】本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０６９３】２００：トランジスタ、２０３：導電体、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０ａ１：酸化物、２３０ａ２：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２３４：領域、２４０：導電体、２４０ｄ：導電体、２４０ｓ：導電体、２４１Ａ：膜、２４２：領域、２４２ｄ：領域、２４２ｓ：領域、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５２：金属酸化物、２５２Ａ：金属酸化膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電膜、２６０ｃ：導電体、２７０：絶縁体、２７０Ａ：絶縁膜、２７１：絶縁体、２７１Ａ：絶縁膜、２７３：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜、２７３ｈ：開口部、２７５：絶縁体、２７５Ａ：絶縁膜、２７６：絶縁体、２７６ｓ：絶縁体、２７６ｄ：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８４：絶縁体
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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