(57)【要約】新規な半導体装置を提供する。または、より多くの多値情報の保持が可能な記憶装置を提供する。書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方をビット線と電気的に接続し、他方を情報保持部と電気的に接続する。情報保持部に書き込まれる情報は、書き込みビット線および書き込みトランジスタを介して情報保持部に供給される。書き込みトランジスタのバックゲートを書き込みビット線と電気的に接続することで、書き込み動作時に生じるしきい値電圧の上昇を抑え、より多くの多値情報を保持する（記憶する）ことができる。
2018211378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１乃至第３トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記第１トランジスタのゲートは、第１配線と電気的に接続され、
前記第１トランジスタのバックゲートは、第２配線と電気的に接続され、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２配線と電気的に接続され、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記容量素子の他方の電極は、第３配線と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのゲートは、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのバックゲートは、第４配線と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第４配線と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５配線と電気的に接続され、
前記第３トランジスタのゲートは、第６配線と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第３トランジスタのゲートは、前記第３トランジスタのバックゲートと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置を含む記憶素子と、
駆動回路と、
を有することを特徴とする記憶装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記半導体装置と前記駆動回路は重なることを特徴とする記憶装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記記憶素子は、多値情報を記憶する機能を有することを特徴とする記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明の一態様は、半導体装置または記憶装置に関する。【０００２】ただし、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されるものではない。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。または、本明細書等で開示する発明の一態様は、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。【０００３】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。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、半導体装置と言える場合がある。もしくは、これらは半導体装置を有すると言える場合がある。
【背景技術】
【０００４】近年、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、デジタルカメラなどさまざまな電子機器に、セントラルプロセシングユニット（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ））や記憶装置、センサなどの電子部品が用いられており、当該電子部品は、微細化、および低消費電力など様々な面で高性能化が図られている。【０００５】特に、近年扱われているデータ量は増加しており、大きな記憶容量を有する記憶装置が求められている。特許文献１および特許文献２では、多値のデータの書き込み、読み出しを可能にした半導体装置について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２５６４００号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９９７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】本発明の一態様は、多値情報を保持できる半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、データ保持の容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性が良好な半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一つとする。または、消費電力の少ない半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一つとする。または、上記半導体装置または上記記憶装置を備えた電子機器を提供することを課題の一つとする。【０００８】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。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】
【０００９】書き込みトランジスタのソースまたはドレインの一方を書き込みビット線と電気的に接続し、他方を情報保持部と電気的に接続する。情報保持部に書き込まれる情報は、書き込みビット線および書き込みトランジスタを介して情報保持部に供給される。書き込みトランジスタのバックゲートを書き込みビット線と電気的に接続することで、書き込み動作時に生じるしきい値電圧の上昇を抑え、より多くの多値情報を保持する（記憶する）ことができる。【００１０】本発明の一態様は、第１乃至第３トランジスタと、容量素子と、を有し、第１トランジスタのゲートは、第１配線と電気的に接続され、第１トランジスタのバックゲートは、第２配線と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２配線と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、容量素子の一方の電極と電気的に接続され、容量素子の他方の電極は、第３配線と電気的に接続され、第２トランジスタのゲートは、容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第２トランジスタのバックゲートは、第４配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第４配線と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第５配線と電気的に接続され、第３トランジスタのゲートは、第６配線と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置である。【００１１】第３トランジスタのゲートは、第３トランジスタのバックゲートと電気的に接続してもよい。第１乃至第３トランジスタのうち、少なくとも第１トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を含むことが好ましい。【００１２】上記半導体装置は、記憶素子として機能できる。記憶素子と駆動回路を用いて記憶装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】本発明の一態様によれば、多値情報を保持できる半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、データ保持の容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、信頼性が良好な半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、消費電力の少ない半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、新規な半導体装置または記憶装置を提供することができる。または、上記半導体装置または上記記憶装置を備えた電子機器を提供することができる。【００１４】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】
【００１５】
【図１】記憶装置を説明する図。
【図２】記憶装置を説明する図。
【図３】記憶素子を説明する図。
【図４】記憶素子を説明する図。
【図５】記憶素子を説明する図。
【図６】記憶素子を説明する図。
【図７】記憶素子を説明する図。
【図８】書き込み動作を説明するタイミングチャート。
【図９】書き込み動作を説明する図。
【図１０】書き込み動作を説明する図。
【図１１】書き込み動作を説明する図。
【図１２】書き込み動作を説明する図。
【図１３】書き込み動作を説明する図。
【図１４】書き込み動作を説明するタイミングチャート。
【図１５】書き込み動作を説明する図。
【図１６】書き込み動作を説明する図。
【図１７】書き込み動作を説明する図。
【図１８】書き込み動作を説明する図。
【図１９】書き込み動作を説明する図。
【図２０】読み出し動作を説明するタイミングチャート。
【図２１】読み出し動作を説明する図。
【図２２】読み出し動作を説明する図。
【図２３】読み出し動作を説明する図。
【図２４】読み出し動作を説明するタイミングチャート。
【図２５】読み出し動作を説明する図。
【図２６】読み出し動作を説明する図。
【図２７】読み出し動作を説明する図。
【図２８】トランジスタを説明する図。
【図２９】トランジスタを説明する図。
【図３０】電子部品を説明するためのフローチャートおよび斜視図。
【図３１】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１７】また、図面などにおいて示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面などに開示された位置、大きさ、範囲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、発明の理解を容易とするため、省略して示すことがある。
【００１８】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。
【００１９】本明細書等において、「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において付された序数詞と、特許請求の範囲において付された序数詞が異なる場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。
【００２０】本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって設けられている場合なども含む。
【００２１】なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００２２】本明細書等においてトランジスタとは、特に断りがない場合、ゲート（ゲート端子、またはゲート電極）、ソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）、およびドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）を含む少なくとも三つの端子を有する素子、または、バックゲート（バックゲート端子、またはバックゲート電極）を含む少なくとも四つの端子を有する素子である。そして、ソースとドレインの間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、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、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００２３】また、本明細書等に示すトランジスタは、特に断りがない場合、エンハンスメント型（ノーマリーオフ型）の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、特に断りがない場合、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、特に断りがない場合、０Ｖよりも大きいものとする。
【００２４】なお、本明細書等において、特に断りがない場合、バックゲートを有するトランジスタのＶｔｈとは、バックゲートの電位をソースまたはゲートと同電位としたときのＶｔｈをいう。
【００２５】また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流（「Ｉｄ」ともいう。）をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ソースを基準とした時のゲートとソースの間の電位差（「ゲート電圧」または「Ｖｇ」ともいう。）がしきい値電圧よりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、Ｖｇがしきい値電圧よりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ＶｇがＶｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
【００２６】トランジスタのオフ電流は、Ｖｇに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇにおけるオフ状態、所定の範囲内のＶｇにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるＶｇにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
【００２７】一例として、Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇが０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−９Ａであり、Ｖｇが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１３Ａであり、Ｖｇが−０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１９Ａであり、Ｖｇが−０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇが−０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０−１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０−２２Ａ以下となるＶｇが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−２２Ａ以下である、と言う場合がある。
【００２８】トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温（ＲＴ：Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃以上３５℃以下の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、ＲＴ、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃以上３５℃以下の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇの値が存在することを指す場合がある。
【００２９】トランジスタのオフ電流は、ソースを基準とした時のドレインとソースの間の電圧（以下、「Ｖｄ」ともいう。）に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、Ｖｄが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるＶｄ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇの値が存在することを指す場合がある。
【００３０】上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
【００３１】また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
【００３２】また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」または「電位Ｈ」ともいう。）とは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」または「電位Ｌ」ともいう。）とは、高電源電位ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。
【００３３】また、一般に「電圧」とは、ある電位と基準の電位（例えば、接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位など）との電位差のことを示す場合が多い。また、「電位」は相対的なものであり、基準となる電位によって配線等に与える電位が変化する場合がある。よって「電圧」と「電位」は互いに言い換えることが可能な場合がある。なお、本明細書等では、明示される場合を除き、ＶＳＳを基準の電位とする。
【００３４】なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して設けられている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３５】また、本明細書において、「平行」とは、明示されている場合を除き、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、明示されている場合を除き、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」および「直交」とは、明示されている場合を除き、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、明示されている場合を除き、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。
【００３６】なお、本明細書等において、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」（これらの同意語を含む）などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。
【００３７】（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の記憶装置１００について、図面を用いて説明する。
【００３８】＜記憶装置の構成例＞
図１（Ａ）は、記憶装置１００の構成例を説明するブロック図である。記憶装置１００は、記憶部１０１、駆動回路部１０２乃至駆動回路部１０５を有する。
【００３９】また、記憶装置１００は、ｍ本（ｍは２以上の整数）の配線ＲＷＬ、ｍ本の配線ＷＷＬ、ｍ本の配線ＣＬ、ｎ本（ｎは２以上の整数）の配線ＳＬ、ｎ本の配線ＷＢＬ、およびｎ本の配線ＲＢＬを有する。ｍ本の配線ＲＷＬおよびｍ本の配線ＷＷＬは、各々が略平行に配設され、かつ、駆動回路部１０２によって電位が制御される。ｍ本の配線ＣＬは、各々が略平行に配設され、かつ、駆動回路部１０３によって電位が制御される。ｎ本の配線ＳＬおよびｎ本の配線ＷＢＬは、各々が略平行に配設され、かつ、駆動回路部１０４によって電位が制御される。ｎ本の配線ＲＢＬは、各々が略平行に配設され、かつ、駆動回路部１０５によって電位が制御される。
【００４０】なお、駆動回路部１０２乃至駆動回路部１０５の総称として、「駆動回路」、「周辺回路」または「周辺駆動回路」という場合がある。また、駆動回路部１０２乃至駆動回路部１０５を全て設ける必要はない。例えば、駆動回路部１０２に駆動回路部１０３の機能を設けることで、駆動回路部１０３を省略することができる。また、駆動回路部１０２乃至駆動回路部１０５以外の回路を設けてもよい。
【００４１】また、図２の斜視ブロック図に示すように、周辺駆動回路を記憶部１０１と重ねて設けてもよい。周辺駆動回路を記憶部１０１と重ねて設けることで、記憶装置１００の占有面積を低減し、記憶装置１００の小型化が実現できる。
【００４２】《記憶部１０１》
記憶部１０１は、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された複数の記憶素子１１１を有する。記憶素子１１１は、トランジスタ１１２乃至トランジスタ１１４、および容量素子１１５を有する。また、記憶素子１１１は、情報保持部ＦＮを含む。
【００４３】記憶素子１１１は、情報保持部ＦＮに３つ以上の異なる電荷量の状態のいずれか一を保持することができる。つまり、記憶素子１１１は、３つ以上の異なる状態（多値という場合がある。）のいずれか一を記憶することができるＭＬＣ（Ｍｕｌｔｉ  Ｌｅｖｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。例えば、記憶素子１１１の情報保持部ＦＮが、４つの異なる電荷量の状態のいずれか一を保持できるとき、その記憶素子１１１は４値（２ビット）の記憶が可能であるといい、４値は２進数表記で”００”、”０１”、”１０”、及び”１１”の４つの情報を扱うことができる。
【００４４】〔記憶素子１１１〕
図１（Ｂ）に、ｉ行ｊ列目（ｉは１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）の記憶素子１１１の回路図を示す。ｉ行ｊ列目の記憶素子１１１は、ｉ本目の配線ＲＷＬ、ｉ本目の配線ＷＷＬ、およびｉ本目の配線ＣＬと電気的に接続される。また、ｉ行ｊ列目の記憶素子１１１は、ｊ本目の配線ＳＬ、ｊ本目の配線ＷＢＬ、およびｊ本目の配線ＲＢＬと電気的に接続される。
【００４５】配線ＲＷＬは、読み出しワード線として機能する。配線ＷＷＬは、書き込みワード線として機能する。配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能する。配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能する。配線ＣＬは、容量線として機能する。配線ＳＬは、読み出し電源電位供給線として機能する。また、トランジスタ１１２は、書き込みトランジスタとして機能する。トランジスタ１１３は、読み出しトランジスタとして機能する。トランジスタ１１４は、選択トランジスタとして機能する。
【００４６】なお、本明細書等では、ｉ本目の配線ＲＷＬを配線ＲＷＬ［ｉ］と記し、ｉ本目の配線ＷＷＬを配線ＷＷＬ［ｉ］と記し、ｉ本目の配線ＣＬを配線ＣＬ［ｉ］と記す。また、本明細書等では、ｊ本目の配線ＳＬを配線ＳＬ［ｊ］と記し、ｊ本目の配線ＷＢＬを配線ＷＢＬ［ｊ］と記し、ｊ本目の配線ＲＢＬを配線ＲＢＬ［ｊ］と記す。
【００４７】また、本明細書等では、ｉ行ｊ列目の記憶素子１１１を記憶素子１１１［ｉ，ｊ］と記す。トランジスタ１１２乃至トランジスタ１１４、容量素子１１５、情報保持部ＦＮも、記憶素子１１１と同様にｉおよびｊを付して記す場合がある。
【００４８】記憶素子１１１［ｉ，ｊ］において、トランジスタ１１２およびトランジスタ１１３としてバックゲートを有するトランジスタを用いることが好ましい。
【００４９】一般に、バックゲートは導電層で形成され、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。よって、バックゲートは、ゲートと同様に機能することができる。また、バックゲートを設けることで、トランジスタの外部で生じる電界が、チャネルが形成される半導体層に作用しないようにすることができる。よって、複数のトランジスタ間における電気特性のばらつきを低減することができる。
【００５０】記憶装置１００に含まれるトランジスタの半導体層に用いる半導体材料としては、非晶質半導体、結晶性を有する半導体（微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体）のいずれを用いてもよい。
【００５１】例えば、トランジスタの半導体層に用いる半導体材料として、シリコンや、ゲルマニウム等を用いることができる。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、金属酸化物、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
【００５２】例えば、トランジスタに用いる半導体材料として、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を用いることができる。特に、非晶質シリコンは、量産性に優れ、大きな面積の基板に設けることも容易である。なお、一般に、トランジスタに用いる非晶質シリコンは水素を多く含む。このため、水素を多く含む非晶質シリコンを「水素化アモルファスシリコン」または「ａ−Ｓｉ：Ｈ」と言う場合がある。また、アモルファスシリコンは、多結晶シリコンよりも低温で形成できるため、作製工程中の最高温度を下げることができる。よって、基板、導電層、および絶縁層などに、耐熱性の低い材料を用いることができる。
【００５３】また、トランジスタに用いる半導体材料として、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの結晶性を有するシリコンを用いることもできる。特に、多結晶シリコンは、単結晶シリコンに比べて低温で形成でき、且つアモルファスシリコンに比べて高い電界効果移動度と高い信頼性を備える。
【００５４】また、トランジスタに用いる半導体材料として、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などを用いることができる。酸化物半導体は、アモルファスシリコンよりも高い電界効果移動度と高い信頼性が実現できる。また、酸化物半導体は量産性に優れ、大きな面積の基板に設けることも容易である。
【００５５】また、金属酸化物の一種である酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが広く、キャリア密度が低いため、トランジスタの半導体層に用いることが好ましい。トランジスタの半導体層に酸化物半導体を用いると、トランジスタのオフ状態におけるソースとドレインの間に流れる電流を低減できるため好ましい。
【００５６】金属酸化物の一種である酸化物半導体は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上であることが好ましく、２．５ｅＶ以上であることがより好ましく。３ｅＶ以上であることがさらに好ましい。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【００５７】金属酸化物の一種である酸化物半導体は、例えば少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（アルミニウム、チタン、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、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物で表記される材料を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【００５８】スタビライザーとしては、上記Ｍで記載の金属を含め、例えば、ガリウム、スズ、ハフニウム、アルミニウム、またはジルコニウム等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等がある。
【００５９】半導体層を構成する金属酸化物として、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００６０】なお、ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００６１】なお、トランジスタの半導体層に用いることができる金属酸化物については、他の実施の形態で詳細に説明する。
【００６２】ここで、トランジスタ１１２は、チャネルが形成される半導体層に金属酸化物の一種である酸化物半導体を含むトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）であることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができる。具体的には、ソースとドレイン間の電圧が３．５Ｖ、室温（２５℃）下において、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を１×１０−２０Ａ未満、１×１０−２２Ａ未満、あるいは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。トランジスタ１１２として、ＯＳトランジスタを用いることにより、情報保持部ＦＮに書き込まれた情報を長期間にわたって保持することができる。そのため、情報保持部ＦＮの電位をリフレッシュする必要がなくなり、記憶素子１１１の消費電力を低減することができる。よって、記憶装置１００の消費電力を低減することができる。
【００６３】また、トランジスタ１１２として、ＯＳトランジスタを用いることにより、容量素子１１５の容量値を小さくすることができる。よって、記憶素子１１１の占有面積を小さくすることができる。よって、記憶装置１００の占有面積を小さくすることができる。
【００６４】また、トランジスタ１１４にＯＳトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタ１１４にＯＳトランジスタを用いることで、記憶素子１１１非選択時に生じる配線ＳＬ一配線ＲＢＬ間のリーク電流を低減し、読み出し精度を高めることができる。なお、トランジスタ１１３にＯＳトランジスタを用いても構わない。
【００６５】加えて、ＯＳトランジスタは、チャネルが形成される半導体層にシリコンを用いるトランジスタ（Ｓｉトランジスタともいう）と比べて耐圧性が高い。そのため、トランジスタ１１２をＯＳトランジスタとすることにより、情報保持部ＦＮに保持する電位の範囲を広げることができる。よって、保持部２１に保持する情報の数を増加させることができる。
【００６６】また、トランジスタ１１３、トランジスタ１１４にＯＳトランジスタを用いることで、読み出し動作時の電位の範囲を広げることができる。よって、多値情報の読み出し精度を高めることができる。
【００６７】記憶素子１１１［ｉ，ｊ］において、トランジスタ１１２のゲートは配線ＷＷＬ［ｉ］と電気的に接続され、バックゲートは配線ＷＢＬ［ｊ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１１２のソースまたはドレインの一方は配線ＷＢＬ［ｊ］と電気的に接続され、他方は容量素子１１５の一方の電極およびトランジスタ１１３のゲートと電気的に接続される。
【００６８】また、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］において、トランジスタ１１３のバックゲートは配線ＲＢＬ［ｊ］と電気的に接続される。また、トランジスタ１１３のソースまたはドレインの一方は配線ＲＢＬ［ｊ］と電気的に接続され、他方は、トランジスタ１１４のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。また、トランジスタ１１４のソースまたはドレインの他方は配線ＳＬ［ｊ］と電気的に接続され、ゲートは配線ＲＷＬ［ｉ］と電気的に接続される。
【００６９】また、容量素子１１５の他方の電極は配線ＣＬ［ｉ］と電気的に接続される。
【００７０】トランジスタ１１２のソースまたはドレインの他方と、容量素子１１５の一方の電極と、トランジスタ１１３のゲートが電気的に接続する節点が、情報を記憶する情報保持部ＦＮとして機能する。
【００７１】配線ＷＷＬ［ｉ］は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］に含まれるトランジスタ１１２のオン状態とオフ状態を決定する信号が供給される。配線ＷＢＬ［ｊ］には、情報保持部ＦＮに記憶するための情報が供給される。当該情報は、トランジスタ１１２がオン状態の時に情報保持部ＦＮに供給され、トランジスタ１１２がオフ状態の時に保持される。
【００７２】図３に、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］と記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の回路図を示す。記憶装置１００において、ｊ本目の配線ＲＢＬはｊ個目のトランジスタ１１６と電気的に接続される。具体的には、トランジスタ１１６のソースまたはドレインの一方は配線ＲＢＬと電気的に接続され、他方はバックゲートと電気的に接続されている。また、トランジスタ１１６のソースまたはドレインの他方には０Ｖが供給される。また、トランジスタ１１６のゲートには、読み出し動作時にトランジスタ１１６をオン状態とするバイアス（Ｂｉａｓ）電位（例えば、ＶＤＤ）が供給される。トランジスタ１１６は、例えば駆動回路部１０５に含まれる。トランジスタ１１３とトランジスタ１１６により、ソースフォロワが形成される。
【００７３】［トランジスタ１１２のバックゲートを配線ＷＢＬと接続する効果について］
ここで、トランジスタ１１２のバックゲートを配線ＷＢＬと接続する効果について説明する。図４（Ａ）に示す記憶素子１１１［ｉ，ｊ］の回路図では、トランジスタ１１２のバックゲートに０ＶまたはＶＳＳが供給される。
【００７４】図４（Ｂ１）は、配線ＷＢＬ［ｊ］に供給される電位Ｖｉｎと情報保持部ＦＮに書き込まれる電位Ｖｆｎの関係を示した図である。電位Ｖｉｎが０ＶからＶＤＤまで変化した場合の電位Ｖｆｎの変化を示している。
【００７５】図４（Ａ）に示した回路構成の場合、トランジスタ１１２をオン状態にして情報保持部ＦＮに電位Ｖｉｎを書き込むと、情報保持部ＦＮの電位上昇に伴ってバックゲート電位が相対的にマイナスとなる。このため、トランジスタ１１２のＶｔｈが見かけ上大きくなり、書き込める最大電圧が小さくなってしまう（図４（Ｂ１）中の「電位ＶＣＯＮＶ」参照）。電位ＶＣＯＮＶの値は、ゲート容量とバックゲート容量の比率などによって決定される。
【００７６】図１（Ｂ）に示す記憶素子１１１［ｉ，ｊ］のように、トランジスタ１１２のバックゲートを配線ＷＢＬと接続する場合、トランジスタ１１２のバックゲート電位は電位Ｖｉｎと等しくなる。すなわち、トランジスタ１１２をオン状態にして情報保持部ＦＮに電位Ｖｉｎを書き込んでもバックゲート電位が相対的にマイナスにはならない。よって、電位Ｖｆｎに書き込める最大電圧を、ＶＤＤ−Ｖｔｈまで高めることができる（図４（Ｂ２）中の「電位ＶＩＮＶＥ」参照）。
【００７７】図４（Ｂ２）は、情報保持部ＦＮに１６値の多値情報を書き込む場合の電位分布を示している。それぞれの分布は、４ビットのデータ００００からデータ１１１１に対応する。図４（Ｂ１）および図４（Ｂ２）では、情報保持部ＦＮに書き込める最大電位が電位ＶＣＯＮＶの場合は８値（３ビット）、情報保持部ＦＮに書き込める最大電位が電位ＶＩＮＶＥの場合は１６値（４ビット）まで記憶できることを示している。
【００７８】本発明の一態様によれば、より多くの多値情報を記憶可能な記憶素子を提供できる。また、本発明の一態様によれば、より多くの多値情報を記憶可能な記憶装置を提供できる。
【００７９】また、トランジスタ１１３にバックゲートを設け、バックゲートと配線ＲＢＬを電気的に接続することで、情報保持部ＦＮに書き込まれた情報を精度よく読み出すことができる。
【００８０】［変形例１］
図５（Ａ）に示すように、トランジスタ１１２のバックゲートを情報保持部ＦＮと電気的に接続してもよい。この場合、情報の保持期間中、トランジスタ１１２のバックゲートに常に電位Ｖｆｎが印加されるため、バックゲートの信頼性が若干低下する懸念があるものの、情報保持部ＦＮに書き込める最大電位を高めることができる。
【００８１】［変形例２］
図５（Ｂ）に示すように、トランジスタ１１２のゲートとバックゲートを電気的に接続してもよい。この場合、見かけ上のトランジスタ１１２のゲート容量が増えるため、トランジスタ１１２をオフ状態にするときに、電位Ｖｆｎが若干低下する懸念があるものの、情報保持部ＦＮに情報を書き込む速度を高めることができる。
【００８２】［変形例３］
図５（Ｃ）に示すように、トランジスタ１１３のバックゲートを配線ＷＢＬ［ｊ］と電気的に接続してもよい。情報の書き込みと読み出しは、どちらも配線ＷＢＬ［ｊ］で行なうことができる。配線ＲＢＬを設ける必要がないため、記憶素子１１１の占有面積を低減することができる。よって、記憶装置１００の小型化が実現できる。
【００８３】［変形例４］
図６（Ａ）に示すように、トランジスタ１１４にバックゲートを設け、トランジスタ１１４のゲートとバックゲートを電気的に接続してもよい。このような構成とすることで、記憶されている情報の読み出し速度を高めることができる。また、記憶されている情報の読み出し精度を高めることができる。
【００８４】［変形例５］
図６（Ｂ）に示すように、トランジスタ１１４にバックゲートを設け、トランジスタ１１４のバックゲートとトランジスタ１１３のソースまたはドレインの他方を電気的に接続してもよい。このような構成とすることで、記憶されている情報の読み出し精度を高めることができる。
【００８５】［変形例６］
図７に示すように、トランジスタ１１３のバックゲートを情報保持部ＦＮと電気的に接続してもよい。このような構成とすることで、記憶されている情報の読み出し精度を高めることができる。この場合、見かけ上のトランジスタ１１３のゲート容量が増えるため、書き込み時間が増える懸念が若干あるものの、読み出し動作時に配線ＲＢＬに生じる最大電位を高めることができる。
【００８６】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００８７】（実施の形態２）
本実施の形態では、図１および図３を用いて説明した記憶装置１００の動作例について、図面を用いて説明する。
【００８８】＜記憶装置の動作例＞
〔書き込み動作・例１〕
図８は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の書き込み動作を説明するタイミングチャートである。図８は、各配線および情報保持部ＦＮの電位変化を示している。なお、電位Ｈ（ＶＤＤ）は０Ｖよりも高い電位であり、電位Ｌ（ＶＳＳ）は０Ｖよりも低い電位である。
【００８９】［初期状態］
図９は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の初期状態を示している。配線ＷＷＬ［ｉ］、配線ＲＷＬ［ｉ］、配線ＣＬ［ｉ］、配線ＷＷＬ［ｉ＋１］、配線ＲＷＬ［ｉ＋１］、および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｌが供給され、配線ＳＬ［ｉ］に電位Ｈが供給され、配線ＷＢＬ［ｊ］に０Ｖが供給され、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］、および情報保持部ＦＮ［ｉ＋１，ｊ］に０Ｖが保持されている。また、トランジスタ１１６のゲートに電位Ｌが供給され、トランジスタ１１６［ｊ］はオフ状態になっている。
【００９０】［期間Ｗ１（図１０参照。）］
期間Ｗ１において、配線ＷＢＬ［ｊ］に電位Ｖｉｎが供給される。
【００９１】［期間Ｗ２（図１１参照。）］
期間Ｗ２において、配線ＷＷＬ［ｉ］に電位Ｈが供給される。すると、トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］がオン状態となり、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位が上昇し、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］に電位Ｖｆｎが書き込まれる。
【００９２】［期間Ｗ３（図１２参照。）］
期間Ｗ３において、配線ＷＷＬ［ｉ］に電位Ｌが供給される。すると、トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］がオフ状態となり、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］に書き込まれた電位Ｖｆｎが保持される。このようにして記憶素子１１１［ｉ，ｊ］に情報を書き込むことができる。
【００９３】［期間Ｗ４（図１３参照。）］
期間Ｗ４において、配線ＷＢＬ［ｊ］に０Ｖが供給される。
【００９４】［期間Ｗ５乃至期間Ｗ８］
期間Ｗ５乃至期間Ｗ８は、記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に情報を書き込む期間である。記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］への情報の書き込みは、前述した期間Ｗ１乃至期間Ｗ４の説明の、ｉをｉ＋１として読み換えればよい。
【００９５】なお、書き込み動作・例１において、配線ＣＬの電位は固定電位であれば良い。よって配線ＣＬの電位は０Ｖでもよいし、ＶＤＤでもよいし、任意の電位であってもよい。
【００９６】〔書き込み動作・例２〕
書き込み動作・例１とは異なる書き込み動作について説明する。図１４は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の書き込み動作を説明するタイミングチャートである。図１４は、各配線および情報保持部ＦＮの電位変化を示している。
【００９７】［初期状態］
図１５は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の初期状態を示している。書き込み動作・例１の初期状態と書き込み動作・例２の初期状態では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に供給されている電位が異なる。具体的には、書き込み動作・例１では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｌが供給されていたが、書き込み動作・例２では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｈが供給されている。
【００９８】［期間Ｗ１’（図１６参照。）］
期間Ｗ１’において、配線ＷＢＬ［ｊ］に電位Ｖｉｎが供給される。また、配線ＣＬ［ｉ］に電位Ｌが供給される。この時、選択されていない記憶素子１１１（非選択期間中の記憶素子１１１。ここでは、ｉ行目以外の記憶素子１１１）の配線ＣＬの電位を電位Ｈのままとする。
【００９９】［期間Ｗ２’（図１７参照。）
期間Ｗ２’において、配線ＷＷＬ［ｉ］に電位Ｈが供給される。すると、トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］がオン状態となり、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位が上昇し、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］に電位Ｖｆｎが書き込まれる。
【０１００】［期間Ｗ３’（図１８参照。）］
期間Ｗ３’において、配線ＷＷＬ［ｉ］に電位Ｌが供給される。すると、トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］がオフ状態となり、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］に書き込まれた電位Ｖｆｎが保持される。
【０１０１】［期間Ｗ４’（図１９参照。）］
期間Ｗ４’において、配線ＷＢＬ［ｊ］に０Ｖが供給される。また、配線ＣＬ［ｉ］に電位Ｈが供給される。トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］をオフ状態とした後に配線ＣＬ［ｉ］の電位を電位Ｌから電位Ｈとすることで、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位が電位Ｖｆｎ＋電位Ｈとなる。よって、トランジスタ１１２［ｉ，ｊ］のバックゲート電位が相対的にマイナスになるため、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］に書き込まれた電位をより確実に保持することができる。
【０１０２】すなわち、選択期間中の記憶素子１１１の配線ＣＬの電位を電位Ｌとし、非選択期間中の記憶素子１１１の配線ＣＬの電位を電位Ｈとすることで、情報保持部ＦＮに書き込まれた電位をより確実に保持し、データが消失する可能性をより低減することができる。
【０１０３】［期間Ｗ５’乃至期間Ｗ８’］
期間Ｗ５’乃至期間Ｗ８’は、記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に情報を書き込む期間である。記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］への情報の書き込みは、前述した期間Ｗ１’乃至期間Ｗ４’の説明の、ｉをｉ＋１として読み換えればよい。
【０１０４】なお、書き込み動作・例２では配線ＣＬの電位を電位Ｌまたは電位Ｈとした。しかしながら書き込み動作・例２において、配線ＣＬの電位は、書き込み対象として選択されている期間の電位よりも、選択されていない期間の電位が高ければよい。例えば、０Ｖまたは電位Ｈとしてもよい。配線ＣＬの電位変化量が少ないほど、記憶装置１００の消費電力を低減できる。
【０１０５】〔読み出し動作・例１〕
次に、書き込み動作・例１で書き込まれた情報の読み出し動作について説明する。図２０は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。図２０は、各配線および情報保持部ＦＮの電位変化を示している。
【０１０６】［初期状態］
図２１は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の初期状態を示している。配線ＷＷＬ［ｉ］、配線ＲＷＬ［ｉ］、配線ＣＬ［ｉ］、配線ＷＷＬ［ｉ＋１］、配線ＲＷＬ［ｉ＋１］、および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｌが供給され、配線ＷＢＬ［ｊ］に０Ｖが供給され、配線ＳＬ［ｊ］に電位Ｈが供給され、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］、および情報保持部ＦＮ［ｉ＋１，ｊ］に電位Ｖｆｎが保持されている。また、トランジスタ１１６［ｊ］のゲートに電位Ｈが供給され、トランジスタ１１６［ｊ］がオン状態になっている。
【０１０７】［期間Ｒ１（図２２参照。）］
期間Ｒ１において、配線ＲＷＬ［ｉ］に電位Ｈが供給される。すると、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］のトランジスタ１１４［ｉ，ｊ］がオン状態となり、トランジスタ１１４［ｉ，ｊ］およびトランジスタ１１３［ｉ，ｊ］を介して、配線ＳＬ［ｊ］から配線ＲＢＬ［ｊ］に電流が流れる。
【０１０８】この時、トランジスタ１１３［ｉ，ｊ］とトランジスタ１１６［ｊ］でソースフォロワが形成されているため、配線ＲＢＬ［ｊ］の電位Ｖｏｕｔは、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位に応じた電位となる。電位Ｖｏｕｔを測定することにより、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］に記憶（保持）されている情報を知る（読み出す）ことができる。
【０１０９】［期間Ｒ２（図２３参照。）］
期間Ｒ２において、配線ＲＷＬ［ｉ］に電位Ｌが供給される。すると、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］のトランジスタ１１４［ｉ，ｊ］がオフ状態となり、配線ＳＬ［ｊ］から配線ＲＢＬ［ｊ］への電流供給が停止する。トランジスタ１１６［ｊ］がオン状態であるため、配線ＲＢＬ［ｊ］の電位は０Ｖになる。
【０１１０】［期間Ｒ３、期間Ｒ４］
期間Ｒ３および期間Ｒ４は、記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に保持されている情報を読み出す期間である。記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に保持されている情報の読み出しは、前述した期間Ｒ１および期間Ｒ２の説明の、ｉをｉ＋１として読み換えればよい。
【０１１１】〔読み出し動作・例２〕
次に、書き込み動作・例２で書き込まれた情報の読み出し動作について説明する。図２４は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。図２４は、各配線および情報保持部ＦＮの電位変化を示している。
【０１１２】［初期状態］
図２５は、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］および記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］の初期状態を示している。読み出し動作・例１の初期状態と読み出し動作・例２の初期状態では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に供給されている電位が異なる。また、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］および［ｉ＋１，ｊ］の電位が異なる。具体的には、読み出し動作・例１では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｌが供給されていたが、読み出し動作・例２では、配線ＣＬ［ｉ］および配線ＣＬ［ｉ＋１］に電位Ｈが供給されている。また、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］および情報保持部ＦＮ［ｉ＋１，ｊ］の電位が電位Ｖｆｎ＋電位Ｈになっている。
【０１１３】［期間Ｒ１’（図２６参照。）］
期間Ｒ１’において、配線ＲＷＬ［ｉ］に電位Ｈが供給され、配線ＣＬ［ｉ］に電位Ｌが供給される。すると、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］のトランジスタ１１４［ｉ，ｊ］がオン状態となり、トランジスタ１１４［ｉ，ｊ］およびトランジスタ１１３［ｉ，ｊ］を介して、配線ＳＬ［ｊ］から配線ＲＢＬ［ｊ］に電流が流れる。また、報情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位が電位Ｖｆｎになる。
【０１１４】この時、トランジスタ１１３［ｉ，ｊ］とトランジスタ１１６［ｊ］でソースフォロワが形成されているため、配線ＲＢＬ［ｊ］の電位Ｖｏｕｔは、情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位に応じた電位となる。電位Ｖｏｕｔを測定することにより、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］に記憶（保持）されている情報を知る（読み出す）ことができる。
【０１１５】なお、期間Ｒ１’で配線ＣＬ［ｉ］の電位を電位Ｈから電位Ｌに変化させているが、配線ＣＬ［ｉ］の電位を電位Ｈのままとして、情報を読み出すこともできる。
【０１１６】［期間Ｒ２’（図２７参照。）］
期間Ｒ２’において、配線ＲＷＬ［ｉ］に電位Ｌが供給され、配線ＣＬ［ｉ］に電位Ｈが供給される。すると、記憶素子１１１［ｉ，ｊ］のトランジスタ１１４がオフ状態となり、配線ＳＬ［ｊ］から配線ＲＢＬ［ｊ］への電流供給が停止する。トランジスタ１１６［ｊ］がオン状態であるため、配線ＲＢＬ［ｊ］の電位は０Ｖになる。また、報情報保持部ＦＮ［ｉ，ｊ］の電位が電位Ｖｆｎ＋電位Ｈになる。
【０１１７】［期間Ｒ３’、期間Ｒ４’］
期間Ｒ３’および期間Ｒ４’は、記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に保持されている情報を読み出す期間である。記憶素子１１１［ｉ＋１，ｊ］に保持されている情報の読み出しは、前述した期間Ｒ１’および期間Ｒ２’の説明の、ｉをｉ＋１として読み換えればよい。
【０１１８】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１９】（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に用いることができるトランジスタの一例として、トランジスタ２００について説明する。
【０１２０】＜トランジスタの構成例＞
図２８（Ａ）は、トランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図である。図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。図２８（Ｃ）は、図２８（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図２８（Ｄ）は、図２８（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図２８（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。
【０１２１】図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）、および図２８（Ｄ）は、トランジスタ２００を含む半導体装置の上面図および断面図であるともいえる。本実施の形態で説明するトランジスタ２００を含む半導体装置は、トランジスタ２００と、層間絶縁膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０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２４０ａ、および導電体２４０ｂとを有する。
【０１２２】導電体２０３は、第１の導電体と第２の導電体を含む。第１の導電体は絶縁体２１２に設けられた開口の内壁に接して形成され、第２の導電体は、そのさらに内側に形成されている。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を第１の導電体および第２の導電体の２層積層構造としているが、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もよい。また、本実施の形態において、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。
【０１２３】また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、それぞれが、絶縁体２８０に設けられた開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の位置と、絶縁体２８０の上面の位置は同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂのそれぞれを２層積層構造で示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを、単層、又は３層以上の積層構造としてもよい。
【０１２４】図２８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上に配置された金属酸化物２５２と、金属酸化物２５２の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）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、金属酸化物２５２、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上に配置された層２４２と、層２４２上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０１２５】なお、本実施の形態では、酸化物２３０を、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層積層構造で示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０を、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層積層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層積層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。また、本実施の形態では、導電体２６０を、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂの２層積層構成で示しているが、本発明はこれに限られるものではない。導電体２６０を、単層、又は３層以上の積層構造としてもよい。
【０１２６】また、トランジスタ２００は、チャネルが形成される領域（「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。
【０１２７】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。
【０１２８】例えば、酸化物２３０として、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。
【０１２９】ここで、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、などの金属元素を添加することで、金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。
【０１３０】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。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０１３１】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が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体と金属元素が、金属化合物となることで、酸化物半導体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。
【０１３２】また、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と、酸化物半導体との界面に、異層が形成されていてもよい。なお、異層とは、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の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、異層として、酸化物半導体の金属元素と、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。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。
【０１３３】また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０１３４】また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。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。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０１３５】従って、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、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を設けることができる。
【０１３６】ここで、図２８（Ｂ）において一点鎖線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図２９に示す。
【０１３７】図２９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２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０１３８】ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、酸素濃度が低く、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２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。
【０１３９】なお、領域２３１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２３２、および領域２３４よりも高いことが好ましい。
【０１４０】例えば、領域２３１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。
【０１４１】領域２３１を形成するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属元素を有する膜として、層２４２を設ければよい。なお、層２４２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。その際、層２４２と、酸化物２３０との界面に、異層が形成されていてもよい。なお、図２８および図２９において、異層とは、層２４２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である。例えば、異層として、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。
【０１４２】酸化物２３０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２３１を低抵抗化することができる。なお、当該金属化合物は、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、層２４２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、層２４２の表面、または層２４２と酸化物２３０との界面に形成された異層に設けられていてもよい。
【０１４３】従って、領域２３１は、層２４２の低抵抗領域、または、層２４２と酸化物２３０との間に形成された異層の低抵抗化領域も含む場合がある。つまり、本明細書などでは、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２３１とする。
【０１４４】領域２３２は、絶縁体２７５と重畳する領域を有する。領域２３２は、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、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、酸化物２３０の領域２３１に接して、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である層２４２を設けることで、層２４２中の成分と、酸化物半導体の成分とが、金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物２３０に含まれる水素を引き寄せる場合がある。従って、領域２３１の近傍である領域２３２の水素の濃度が高くなる場合がある。
【０１４５】なお、領域２３２ａ、および領域２３２ｂのいずれか一方または双方は、導電体２６０と重畳する領域を有する構成としてもよい。
【０１４６】また、図２９では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２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、層２４２、層２４２と酸化物２３０との間に形成された異層、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２９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、領域２３２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２４０ａ側または導電体２４０ｂ側に後退する形状になる場合がある。
【０１４７】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。
【０１４８】酸化物２３０を、選択的に低抵抗化するには、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、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
【０１４９】領域２３１は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
【０１５０】領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、層２４２を成膜するとよい。層２４２としては、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などを用いることができる。
【０１５１】酸化物２３０と層２４２とが接することにより、層２４２の成分と、酸化物２３０の成分とが、金属化合物を形成し、領域２３１となり、低抵抗化する。また、酸化物２３０と層２４２との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が層２４２に吸収され、酸化物２３０に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域２３１を形成する場合がある。
【０１５２】また、酸化物２３０と、層２４２とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、層２４２から、層２４２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層２４２へと、拡散し、酸化物２３０と、層２４２とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化することで、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。
【０１５３】また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０１５４】一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７５と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７５を介しているため、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した層２４２へ吸収されることが抑制される。
【０１５５】また、層２４２に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０１５６】ここで、層２４２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、当該層へと吸収される。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、層２４２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。
【０１５７】なお、層２４２は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、層２４２が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層２４２は、層間膜として機能する場合がある。
【０１５８】また、例えば、層２４２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、層２４２が絶縁体となり、高抵抗化する。層２４２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、層２４２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。例えば、層２４２は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けるとよい。
【０１５９】ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０１６０】そこで、図２９に示すように、絶縁体２５０、酸化物２３０ｂの領域２３２、および酸化物２３０ｃに接して、過剰酸素を含む絶縁体２７５を設けることが好ましい。「過剰酸素」とは、加熱により絶縁体または導電体などから放出される酸素をいう。絶縁体２７５に過剰酸素を含む絶縁体を用いることで、絶縁体２７５に含まれる酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散し、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
【０１６１】また、絶縁体２７５の一部に過剰酸素領域を設けてもよい。絶縁体２７５に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２７５に接する絶縁体２７３として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜に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。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体２７３となる絶縁体の成膜時に酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ＳＰ）（登録商標）と呼ぶことができる。
【０１６２】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。
【０１６３】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２７５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２７５内部まで到達する。イオンが絶縁体２７５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２７５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２７５に過剰酸素領域が形成される。
【０１６４】絶縁体２７５に酸素を導入することで、絶縁体２７５中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２７５に含まれる過剰酸素は、酸化物２３０の領域２３４に供給され、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
【０１６５】なお、絶縁体２７５は、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用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域を形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物２３０は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物２３０上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体２７５を、酸化物２３０の領域２３４の周辺に設けることで、酸化物２３０の領域２３４へ酸素を効果的に供給することができる。
【０１６６】また、絶縁体２７３は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物２３０と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物２３０と、酸化アルミニウムとの間に層２４２が形成されていた場合、層２４２中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層２４２は、酸化物２３０中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
【０１６７】上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０１６８】つまり、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。
【０１６９】以上より、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。
【０１７０】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。
【０１７１】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。
【０１７２】続いて、トランジスタ２００を含む半導体装置のより詳細な構成について説明する。
【０１７３】図２８（Ａ）、および図２８（Ｃ）に示すように、導電体２０３はチャネル幅方向に延在し、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。
【０１７４】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。
【０１７５】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（ボトムゲートまたはバックゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００の閾値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００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可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０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。
【０１７６】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。
【０１７７】また、導電体２０３と導電体２６０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。
【０１７８】なお、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、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２８（Ａ）および（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延在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。
【０１７９】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。
【０１８０】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。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
【０１８１】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。
【０１８２】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。
【０１８３】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。
【０１８４】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、第２の導電体を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。
【０１８５】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の導電体を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。
【０１８６】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。
【０１８７】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。
【０１８８】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。
【０１８９】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。
【０１９０】また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、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。
【０１９１】また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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。
【０１９２】例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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。
【０１９３】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。
【０１９４】ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４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２２４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酸化物２３０に接して設けることにより、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。
【０１９５】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、酸素原子に換算した酸素の脱離量が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、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℃以下の範囲が好ましい。
【０１９６】また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２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。
【０１９７】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が有する過剰酸素領域の酸素は、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。
【０１９８】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。
【０１９９】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。
【０２００】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。
【０２０１】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。
【０２０２】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。
【０２０３】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。
【０２０４】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。
【０２０５】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。
【０２０６】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、伝導帯下端のエネルギー準位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のエネルギー準位は、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。
【０２０７】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。
【０２０８】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。
【０２０９】なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂ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。領域２３１と、領域２３４の間に領域２３２を有することで、トランジスタ２００において、オン電流を大きくし、かつ、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。
【０２１０】トランジスタ２００において、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第１のゲート電極（導電体２６０）とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
【０２１１】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。
【０２１２】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。
【０２１３】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。
【０２１４】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。絶縁体２５０は、過剰酸素を含む絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が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、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である絶縁体を用いることが好ましい。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℃以下の範囲が好ましい。
【０２１５】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。
【０２１６】過剰酸素を含む絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０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。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０２１７】また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金属酸化物２５２を設けてもよい。従って、金属酸化物２５２は、絶縁体２５０からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物２５２を設けることで、絶縁体２５０から導電体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。
【０２１８】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。
【０２１９】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。
【０２２０】また、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。
【０２２１】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。
【０２２２】具体的には、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。
【０２２３】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。
【０２２４】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。
【０２２５】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。
【０２２６】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。
【０２２７】また、図２８（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、酸化物２３０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、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
【０２２８】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。
【０２２９】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。
【０２３０】また、導電体２６０ｂ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。
【０２３１】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を配置することが好ましい。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。
【０２３２】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。
【０２３３】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。
【０２３４】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。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０２３５】また、絶縁体２７５は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２７５として、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０と接して設けることで、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７５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。
【０２３６】絶縁体２７３は、少なくとも酸化物２３０の領域２３１上、および絶縁体２７５上に設けられる。絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２７５へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７３を、酸化物２３０の領域２３１上に設けることで、酸化物２３０中の水素を、絶縁体２７３へと引き抜くことができる。
【０２３７】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。
【０２３８】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。
【０２３９】また、絶縁体２７４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、絶縁体２２４などと同様に、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。
【０２４０】導電体２４０ａ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２３１ａと接しており、導電体２４０ｂ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２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａ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２４０ｂ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。
【０２４１】図２８（Ｄ）に示すように、導電体２４０ｂは酸化物２３０の側面と重畳することが好ましい。導電体２４０ａについても同様である。特に、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６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２４０ａ、および導電体２４０ｂ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２４０ａ、および導電体２４０ｂが、ソース領域またはドレイン領域となる領域２３１、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２４０ａ、および導電体２４０ｂ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２４０ａ、および導電体２４０ｂとトランジスタ２００の接触抵抗を低減することができる。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。
【０２４２】導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ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２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
【０２４３】例えば、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物２３０が露出する場合がある。その場合、導電体２４０の酸化物２３０と接する導電体（以下、導電体２４０の第１の導電体ともいう。）に用いる導電体として、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、低抵抗化していない酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物２３０に酸素欠損が形成され、酸化物２３０の領域２３１が、低抵抗化する。従って、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、などの金属元素を含むことが好ましい。
【０２４４】また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８０、絶縁体２７４、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２４０ａおよび導電体２４０ｂ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。
【０２４５】また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂ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。
【０２４６】＜半導体装置の構成材料＞
以下では、トランジスタ２００を含む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。
【０２４７】〔基板〕
半導体装置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。
【０２４８】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。
【０２４９】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、アクリル樹脂などがある。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。
【０２５０】〔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。
【０２５１】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。
【０２５２】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。
【０２５３】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。
【０２５４】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樹脂などがある。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。
【０２５５】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。
【０２５６】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。
【０２５７】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。
【０２５８】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。
【０２５９】例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
【０２６０】また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、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。
【０２６１】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。
【０２６２】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。
【０２６３】絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１、絶縁体２７５、および絶縁体２８０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樹脂などがある。
【０２６４】絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７０、および絶縁体２７３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および絶縁体２７３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。
【０２６５】〔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。
【０２６６】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。
【０２６７】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。
【０２６８】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。
【０２６９】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。
【０２７０】〔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。
【０２７１】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。
【０２７２】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、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。
【０２７３】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。
【０２７４】［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。
【０２７５】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。
【０２７６】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。
【０２７７】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。
【０２７８】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。
【０２７９】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。
【０２８０】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。
【０２８１】［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。
【０２８２】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。
【０２８３】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。
【０２８４】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。
【０２８５】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。
【０２８６】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。
【０２８７】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。
【０２８８】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。
【０２８９】［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。
【０２９０】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。
【０２９１】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。
【０２９２】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。
【０２９３】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。
【０２９４】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。
【０２９５】［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。
【０２９６】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。
【０２９７】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。
【０２９８】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。
【０２９９】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。当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。したがって、水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。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。
【０３００】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。
【０３０１】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０３０２】（実施の形態４）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置および記憶装置などを電子部品に適用する例、および該電子部品を具備する電子機器に適用する例について、図３０、図３１を用いて説明する。
【０３０３】＜電子部品＞
まず、図３０（Ａ）を用いて上述の実施の形態で説明した半導体装置および記憶装置などを電子部品に適用する例について説明する。なお電子部品は、半導体パッケージ、又はＩＣ用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
【０３０４】電子部品は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。
【０３０５】後工程については、図３０（Ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる半導体装置および／または記憶装置などを含む素子基板が完成（ステップＳ１）した後、基板の裏面を研削する（ステップＳ２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図るためである。
【０３０６】基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３）。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。
【０３０７】なお、本実施の形態において、基板の一方の面に素子が形成されていたとき、基板の一方の面を表面とし、該基板の他方の面（該基板の素子が形成されていない側の面）を裏面とする。
【０３０８】次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。
【０３０９】ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対するダメージを低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。
【０３１０】次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断および成形加工する（ステップＳ６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。
【０３１１】次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ７）。そして最終的な検査工程（ステップＳ８）を経て電子部品が完成する（ステップＳ９）。
【０３１２】以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置および／または記憶装置などを含む構成とすることができる。そのため、信頼性に優れた電子部品を実現することができる。また、単位面積当たりの記憶容量が大きい電子部品を実現することができる。よって、同じ記憶容量であれば、より小型軽量化された電子部品を実現できる。
【０３１３】また、完成した電子部品の斜視模式図を図３０（Ｂ）に示す。図３０（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図３０（Ｂ）に示す電子部品４７００は、リード４７０１および回路部４７０３を示している。図３０（Ｂ）に示す電子部品４７００は、例えばプリント基板４７０２に実装される。このような電子部品４７００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板４７０２上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板４７０４は、電子機器等の内部に設けられる。
【０３１４】＜電子機器＞
次に上述した電子部品を適用した電子機器について説明する。
【０３１５】本発明の一態様を用いることにより、単位面積当たりの記憶容量が大きい電子機器を実現することができる。よって、同じ記憶容量であれば、より小型軽量化された電子機器を実現できる。
【０３１６】本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機、医療機器などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図３１に示す。
【０３１７】図３１（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５２０１、筐体５２０２、表示部５２０３、表示部５２０４、マイクロフォン５２０５、スピーカ５２０６、操作キー５２０７、スタイラス５２０８等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯型ゲーム機の各種集積回路に用いることができる。なお、図３１（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５２０３と表示部５２０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０３１８】図３１（Ｂ）は携帯情報端末であり、第１筐体５６０１、第２筐体５６０２、第１表示部５６０３、第２表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯情報端末の各種集積回路に用いることができる。第１表示部５６０３は第１筐体５６０１に設けられており、第２表示部５６０４は第２筐体５６０２に設けられている。そして、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２とは、接続部５６０５により接続されており、第１筐体５６０１と第２筐体５６０２の間の角度は、接続部５６０５により変更が可能である。第１表示部５６０３における映像を、接続部５６０５における第１筐体５６０１と第２筐体５６０２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１表示部５６０３および第２表示部５６０４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０３１９】図３１（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ノート型パーソナルコンピュータの各種集積回路に用いることができる。
【０３２０】図３１（Ｄ）はウェアラブル端末の一種であるスマートウォッチであり、筐体５９０１、表示部５９０２、操作ボタン５９０３、操作子５９０４、バンド５９０５などを有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、スマートウォッチの各種集積回路に用いることができる。また、表示部５９０２に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン５９０３にスマートウォッチを起動する電源スイッチ、スマートウォッチのアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部５９０２を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。また、図３１（Ｄ）に示したスマートウォッチでは、操作ボタン５９０３の数を２個示しているが、スマートウォッチの有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、操作子５９０４は、スマートウォッチの時刻合わせを行うリューズとして機能する。また、操作子５９０４は、時刻合わせ以外に、スマートウォッチのアプリケーションを操作する入力インターフェースとして、用いるようにしてもよい。なお、図３１（Ｄ）に示したスマートウォッチでは、操作子５９０４を有する構成となっているが、これに限定せず、操作子５９０４を有さない構成であってもよい。
【０３２１】図３１（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、ビデオカメラの各種集積回路に用いることができる。操作キー５８０４およびレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により変更が可能である。表示部５８０３における映像を、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って切り替える構成としてもよい。
【０３２２】図３１（Ｆ）は乗用車であり、車体５７０１、車輪５７０２、ダッシュボード５７０３、ライト５７０４等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、乗用車の各種集積回路に用いることができる。
【０３２３】図３１（Ｇ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３等を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、電気冷凍冷蔵庫の各種集積回路に用いることができる。
【０３２４】図３１（Ｈ）は、情報端末の機能を有する携帯電話であり、筐体５５０１、表示部５５０２、マイクロフォン５５０３、スピーカ５５０４、操作ボタン５５０５を有する。本発明の一態様にかかる半導体装置は、携帯電話の各種集積回路に用いることができる。また、表示部５５０２に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン５５０５に携帯電話を起動する電源スイッチ、携帯電話のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部５５０２を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。また、図３１（Ｈ）に示した携帯電話では、操作ボタン５５０５の数を２個示しているが、携帯電話の有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、図示していないが、図３１（Ｈ）に示した携帯電話は、カメラを有する構成であってもよい。また、図示していないが、図３１（Ｈ）に示した携帯電話は、フラッシュライト、または照明の用途として発光装置を有する構成であってもよい。また、図示していないが、図３１（Ｈ）に示した携帯電話は、筐体５５０１の内部にセンサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線などを測定する機能を含むもの）を有する構成であってもよい。特に、ジャイロ、加速度センサなどの傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、図３１（Ｈ）に示す携帯電話の向き（鉛直方向に対して携帯電話がどの向きに向いているか）を判断して、表示部５５０２の画面表示を、携帯電話の向きに応じて自動的に切り替えるようにすることができる。また、特に、指紋、静脈、虹彩、または声紋など生体情報を取得するセンサを有する検出装置を設けることで、生体認証機能を有する携帯電話を実現することができる。
【０３２５】次に、本発明の一態様の半導体装置または記憶装置を備えることができる表示装置の使用例について説明する。一例としては、表示装置は、画素を有する。画素は、例えば、トランジスタや表示素子を有する。または、表示装置は、画素を駆動する駆動回路を有する。駆動回路は、例えば、トランジスタを有する。例えば、これらのトランジスタとして、他の実施の形態で述べたトランジスタを採用することができる。
【０３２６】例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤチップ（白色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、電子放出素子、カーボンナノチューブを用いた表示素子、液晶素子、電子インク、エレクトロウェッティング素子、電気泳動素子、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（フェロメトリック・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、圧電セラミックディスプレイなど）、または、量子ドットなどの少なくとも一つを有している。これらの他にも、表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、または電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。量子ドットを各画素に用いた表示装置の一例としては、量子ドットディスプレイなどがある。なお、量子ドットは、表示素子としてではなく、バックライトの一部に設けてもよい。量子ドットを用いることにより、色純度の高い表示を行うことができる。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、ＬＥＤチップを用いる場合、ＬＥＤチップの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結��を有するｎ型ＧａＮ半導体層などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体層などを設けて、ＬＥＤチップを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体層との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。また、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子においては、表示素子が封止されている空間（例えば、表示素子が配置されている素子基板と、素子基板に対向して配置されている対向基板との間）に、乾燥剤を配置してもよい。乾燥剤を配置することにより、ＭＥＭＳなどが水分によって動きにくくなることや、劣化しやすくなることを防止することができる。
【０３２７】本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０３２８】１００：記憶装置、１０１：記憶部、１０２：駆動回路部、１０３：駆動回路部、１０４：駆動回路部、１０５：駆動回路部、１１１：記憶素子、１１２：トランジスタ、１１３：トランジスタ、１１４：トランジスタ、１１５：容量素子、１１６：トランジスタ
【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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【国際調査報告】
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