(57)【要約】【課題】しきい値電圧の大きい半導体装置を提供する。また、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。【解決手段】トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の導電体と、第１の導電体の上に配置された第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に、第１の導電体と重なるように配置された酸化物と、酸化物の上に配置された第２の絶縁体と、第２の絶縁体の上に、第１の導電体および酸化物に重なるように配置された第２の導電体と、を有し、第１の導電体に電圧ＶＢＧが印加された状態で、第２の導電体に電圧Ｖｔｈより大きい電圧が印加されると、酸化物にチャネルが形成され、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧが０．１以上、１．０未満となる。【選択図】図１
2018181890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタを有する半導体装置であって、
前記トランジスタは、
第１の導電体と、
前記第１の導電体の上に配置された第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体の上に、前記第１の導電体と重なるように配置された酸化物と、
前記酸化物の上に配置された第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体の上に、前記第１の導電体および前記酸化物に重なるように配置された第２の導電体と、を有し、
前記第１の導電体に電圧ＶＢＧが印加された状態で、前記第２の導電体に電圧Ｖｔｈより大きい電圧が印加されると、前記酸化物にチャネルが形成され、
前記電圧Ｖｔｈと、前記電圧ＶＢＧが、下記の式（１）を満たす、
【数１】
2018181890.tif 000020
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、
さらに、前記電圧Ｖｔｈと、前記電圧ＶＢＧが、下記の式（２）を満たす、
【数２】
2018181890.tif 000021
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の絶縁体および前記酸化物の合成容量ＣＢと、前記第１の絶縁体の容量ＣＴが、下記の式（３）を満たす、
【数３】
2018181890.tif 000022
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において、
前記酸化物は、第１の酸化物と、前記第１の酸化物の上の第２の酸化物と、前記第２の酸化物の上の第３の酸化物と、の積層構造であり、
前記第１の酸化物および前記第３の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、前記第２の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、
前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物、および前記第２の酸化物の合成容量ＣＢと、前記第３の酸化物および前記第１の絶縁体の合成容量ＣＴが、下記の式（４）を満たす、
【数４】
2018181890.tif 000023
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記酸化物は、
前記第２の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、
前記第２の導電体と重ならない領域に、前記チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有する半導体装置であって、
前記第１のトランジスタは、
第１の導電体と、
前記第１の導電体の上に配置された第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体の上に、前記第１の導電体と重なるように配置された第１の酸化物と、
前記第１の酸化物の上に、前記第１の導電体と重なるように配置された第２の酸化物と、
前記第２の酸化物の上に、前記第１の導電体と重なるように配置された第３の酸化物と、
前記第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体の上に、前記第１の導電体、前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、および前記第３の酸化物、に重なるように配置された第２の導電体と、を有し、
前記第１の酸化物および前記第３の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、前記第２の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、
前記第１の導電体に電圧ＶＢＧが印加された状態で、前記第２の導電体に電圧Ｖｔｈより大きい電圧が印加されると、前記第２の酸化物にチャネルが形成され、
前記電圧Ｖｔｈと、前記電圧ＶＢＧが、下記の式（５）を満たす、
【数５】
2018181890.tif 000024
前記第２のトランジスタは、
前記第３の酸化物と同じ材料で形成された、第４の酸化物を有し、
前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方、ならびに前記第２のトランジスタのゲートは、前記第１の導電体に電気的に接続される、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
さらに、前記電圧Ｖｔｈと、前記電圧ＶＢＧが、下記の式（６）を満たす、
【数６】
2018181890.tif 000025
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、
前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物、および前記第２の酸化物の合成容量ＣＢと、前記第３の酸化物および前記第１の絶縁体の合成容量ＣＴが、下記の式（７）を満たす、
【数７】
2018181890.tif 000026
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、
前記第２の酸化物は、
前記第２の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、
前記第２の導電体と重ならない領域に、前記チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、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及びメモリ）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。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、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て、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている（特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−２５７１８７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５１３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一態様は、しきい値電圧の大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、ノーマリーオフの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。または、本発明の一態様は、小さい電圧で動作する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、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。
【００１１】
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。または、本発明の一態様には、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。または、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。または、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。または、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。
【００１２】
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】
【００１３】
本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の導電体と、第１の導電体の上に配置された第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に、第１の導電体と重なるように配置された酸化物と、酸化物の上に配置された第２の絶縁体と、第２の絶縁体の上に、第１の導電体および酸化物に重なるように配置された第２の導電体と、を有し、第１の導電体に電圧ＶＢＧが印加された状態で、第２の導電体に電圧Ｖｔｈより大きい電圧が印加されると、酸化物にチャネルが形成され、電圧Ｖｔｈと、電圧ＶＢＧが、下記の式（１）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
【数１】
2018181890.tif 000003
【００１５】
上記において、さらに、電圧Ｖｔｈと、電圧ＶＢＧが、下記の式（２）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
【数２】
2018181890.tif 000004
【００１７】
上記において、第１の絶縁体および酸化物の合成容量ＣＢと、第１の絶縁体の容量ＣＴが、下記の式（３）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
【数３】
2018181890.tif 000005
【００１９】
上記において、酸化物は、第１の酸化物と、第１の酸化物の上の第２の酸化物と、第２の酸化物の上の第３の酸化物と、の積層構造であり、第１の酸化物および第３の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、第２の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、第１の絶縁体、第１の酸化物、および第２の酸化物の合成容量ＣＢと、第３の酸化物および第１の絶縁体の合成容量ＣＴが、下記の式（４）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００２０】
【数４】
2018181890.tif 000006
【００２１】
上記において、酸化物は、第２の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、第２の導電体と重ならない領域に、チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、ことを特徴とする半導体装置である。
【００２２】
また、本発明の他の一態様は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有する半導体装置であって、第１のトランジスタは、第１の導電体と、第１の導電体の上に配置された第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に、第１の導電体と重なるように配置された第１の酸化物と、第１の酸化物の上に、第１の導電体と重なるように配置された第２の酸化物と、第２の酸化物の上に、第１の導電体と重なるように配置された第３の酸化物と、第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁体と、第２の絶縁体の上に、第１の導電体、第１の酸化物、第２の酸化物、および第３の酸化物、に重なるように配置された第２の導電体と、を有し、第１の酸化物および第３の酸化物の伝導帯下端のエネルギーは、第２の酸化物の伝導帯下端のエネルギーより大きく、第１の導電体に電圧ＶＢＧが印加された状態で、第２の導電体に電圧Ｖｔｈより大きい電圧が印加されると、第２の酸化物にチャネルが形成され、電圧Ｖｔｈと、電圧ＶＢＧが、下記の式（５）を満たし、第２のトランジスタは、第３の酸化物と同じ材料で形成された、第４の酸化物を有し、第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方、ならびに第２のトランジスタのゲートは、第１の導電体に電気的に接続される、ことを特徴とする半導体装置である。
【００２３】
【数５】
2018181890.tif 000007
【００２４】
上記において、さらに、電圧Ｖｔｈと、電圧ＶＢＧが、下記の式（６）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００２５】
【数６】
2018181890.tif 000008
【００２６】
上記において、第１の絶縁体、第１の酸化物、および第２の酸化物の合成容量ＣＢと、第３の酸化物および第１の絶縁体の合成容量ＣＴが、下記の式（７）を満たす、ことを特徴とする半導体装置である。
【００２７】
【数７】
2018181890.tif 000009
【００２８】
上記において、第２の酸化物は、第２の導電体と重なる領域に、チャネル形成領域を有し、第２の導電体と重ならない領域に、チャネル形成領域を挟んでソース領域およびドレイン領域を有する、ことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の一態様により、しきい値電圧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、ノーマリーオフの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、小さい電圧で動作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、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。
【００３０】
または、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、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の模式図、および当該半導体装置の電圧Ｖｔｈと電圧ＶＢＧを示すグラフ。
【図２】本発明の一態様に係る半導体装置の模式図、および当該半導体装置の等価回路図。
【図３】本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。
【図４】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【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断面図。
【図１４】本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。
【図１５】本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。
【図１６】本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図１９】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図２０】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２２】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２３】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図２４】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２６】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２７】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２８】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２９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図３０】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３１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図３２】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３３】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３４】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３５】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３６】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３７】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３８】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３９】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４０】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４１】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図４２】実施例に係る試料の電圧Ｖｔｈと電圧ＶＢＧを示すグラフ。
【図４３】実施例に係る試料のモデルの模式図、および当該モデルの等価回路図。
【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。従って、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、又は領域は、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、図面に示す形状又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省略して示すことがある。また、図面において、同一部分又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、工程順又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」又は「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。従って、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。即ち、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。即ち、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、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現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。
【００５９】
（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成とその特性について説明する。
【００６０】
図１（Ａ）は、本発明の一態様に係る半導体装置である、トランジスタ１０の一部の断面図である。
【００６１】
図１（Ａ）に示すように、トランジスタ１０は、導電体２１と、導電体２１の上に配置された絶縁体２２と、絶縁体２２の上に導電体２１と重なるように配置された酸化物２３と、酸化物２３の上に配置された絶縁体２５と、絶縁体２５の上に、導電体２１および酸化物２３に重なるように配置された導電体２６と、を有する。また、導電体２１は、絶縁体２４に埋め込むように配置されることが好ましい。
【００６２】
図１（Ａ）において、導電体２１、絶縁体２４、絶縁体２２、酸化物２３、絶縁体２５、および導電体２６は、単層の構造で示しているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。導電体２１、絶縁体２４、絶縁体２２、酸化物２３、絶縁体２５、および導電体２６は、それぞれ、単層の構造としてもよいし、２層以上の積層の構造としてもよい。
【００６３】
酸化物２３は、導電体２６と重なる領域にチャネル形成領域を有し、導電体２６と重ならない領域にチャネル形成領域を挟んでソース領域とドレイン領域を有することが好ましい。なお、図１中の破線は、ソース領域とチャネル形成領域の境界、およびドレイン領域とチャネル形成領域の境界を示す。図１では、ソース領域とチャネル形成領域の境界、およびドレイン領域とチャネル形成領域の境界が導電体２６の側面と略一致する例について示す。ただし、これに限られることなく、ソース領域のチャネル形成領域側の一部、および／またはドレイン領域のチャネル形成領域側の一部が、導電体２６と重なる構成となってもよい。または、ソース領域とチャネル形成領域の境界、および／またはドレイン領域とチャネル形成領域の境界が、導電体２６の外側に設けられる構成にしてもよい。
【００６４】
ここで、トランジスタ１０において、酸化物２３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、酸化物２３となる金属酸化物としては、エネルギーギャップが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、エネルギーギャップの広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。
【００６５】
例えば、酸化物２３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、シリコン、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２３として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【００６６】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１０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が提供できる。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。
【００６７】
一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その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。従って、酸素欠損が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体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。
【００６８】
特に、酸化物２３におけるチャネルが形成されるチャネル形成領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５との界面に、酸素欠損が存在すると、電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。
【００６９】
ここで、酸化物２３におけるチャネル形成領域に形成された酸素欠損は、酸素を供給することで、低減することができる。チャネル形成領域に、酸素を供給するには、例えば、酸素を含む絶縁体２５を、酸化物２３に接して設ければよい。好ましくは、絶縁体２５は、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）を含むとよい。つまり、絶縁体２５から、過剰酸素が酸化物２３へと拡散することで、酸化物２３中の酸素欠損を低減することができる。
【００７０】
例えば、絶縁体２５に用いることができる過剰酸素領域を有する絶縁体として、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、酸素分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、好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、さらに好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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。
【００７１】
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。
【００７２】
導電体２６は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能し、導電体２１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。導電体２１に印加する電位を、導電体２６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１０のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体２１に負の電位を印加することにより、トランジスタ１０のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、導電体２６に印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流（以下、Ｉｃｕｔという場合がある。）を小さくすることができる。
【００７３】
トランジスタ１０において、ボトムゲートに電圧ＶＢＧ［Ｖ］が印加された状態で、トップゲートに電圧Ｖｔｈ［Ｖ］より大きい電圧が印加されると、酸化物２３またはその近傍にチャネルが形成され始めるとする。このときの、電圧Ｖｔｈを、トランジスタ１０のしきい値電圧ということができる。
【００７４】
電圧Ｖｔｈは、トップゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を横軸とし、ドレイン電流の２乗根√Ｉｄ［Ａ］をリニアスケールで縦軸にプロットしたＶｇ−√Ｉｄ曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Ｖｇ軸との交点のトップゲート電圧Ｖｇとすることができる。
【００７５】
ただし、電圧Ｖｔｈを求める方法は、上記に限られるものではない。例えば、電圧Ｖｔｈは、トップゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を横軸にし、ドレイン電流Ｉｄ［Ａ］の対数を縦軸にプロットしたＶｇ−Ｉｄ曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の直線との交点のトップゲート電圧Ｖｇとしてもよい。
【００７６】
このように、本実施の形態に示す半導体装置は、導電体２１に電圧ＶＢＧを印加することにより、電圧Ｖｔｈを大きくし、トランジスタ１０のＩｃｕｔを十分小さくすることができる。言い換えると、トランジスタ１０にノーマリーオフの電気特性を与えることができる。
【００７７】
例えば、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタ１０を、記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることができる。ここで、スイッチングトランジスタとは、データに対応する電荷を保持するノード（以下、ストレージノードという場合がある。）に接続されたトランジスタのことをいう。上記の通り、トランジスタ１０は、極めてオフ電流が小さいので、ストレージノードから抜ける電荷の量を極めて小さくなり、記憶装置のデータ保持時間を長くすることができる。さらに、トランジスタ１０は、電圧Ｖｔｈが大きく、Ｉｃｕｔが小さいので、トランジスタ１０のトップゲートに絶対値の大きい電位を印加せずにデータを保持することができ、記憶装置の消費電力を低減することができる。このように、トランジスタ１０を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。
【００７８】
次に、図１（Ｂ）を用いて、トランジスタ１０の電圧ＶＢＧによる電圧Ｖｔｈの制御性について説明する。図１（Ｂ）は、トランジスタ１０と同様の構成を有する試料において、電圧ＶＢＧに対する電圧Ｖｔｈを測定してプロットしたグラフである。図１（Ｂ）に示すグラフでは、縦軸に電圧Ｖｔｈ［Ｖ］をとり、横軸に電圧ＶＢＧ［Ｖ］をとる。ただし、横軸は正負の向きを逆にしている。
【００７９】
図１（Ｂ）に示すように、電圧ＶＢＧと電圧Ｖｔｈのプロットは、一定の傾きｋを有する直線で近似される。この直線の傾きｋは、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧで表せる。ここで、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧが大きいほど、ボトムゲートに印加する単位電圧あたりの、しきい値電圧Ｖｔｈの変動量が大きくなる。つまり、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧが大きいほど、トランジスタ１０の電圧ＶＢＧによる電圧Ｖｔｈの制御性が良いということができる。このように、トランジスタ１０において、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧは、電圧ＶＢＧによる電圧Ｖｔｈの制御性の指標として扱うことができる。
【００８０】
トランジスタ１０において、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧは、なるべく大きいことが好ましい。その一方で、電圧Ｖｔｈを精密に制御する場合、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧが過剰に大きいと、電圧Ｖｔｈの制御が困難になる場合がある。よって、例えば、トランジスタ１０において、電圧ＶＢＧと電圧Ｖｔｈが、下記の式（８）を満たすことが好ましく、下記の式（９）を満たすことがより好ましい。
【００８１】
【数８】
2018181890.tif 000010
【００８２】
【数９】
2018181890.tif 000011
【００８３】
−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧが上記のような範囲をとるトランジスタ１０では、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、トランジスタ１０のＩｃｕｔを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ１０を提供することができる。
【００８４】
例えば、このようなトランジスタ１０を、記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、トランジスタ１０のトップゲートおよびボトムゲートに絶対値の大きい電位を印加せずにデータを保持することができ、記憶装置の消費電力をさらに低減することができる。このように、トランジスタ１０を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。
【００８５】
上記においては、トランジスタ１０のしきい値電圧を大きくする構成について説明したが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。図１（Ｂ）に示すように、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧは、電圧ＶＢＧが正の値をとる領域でも、一定値を有する。例えば、ボトムゲートの電圧が０Ｖのときのトランジスタのしきい値電圧が過剰に大きい場合は、電圧ＶＢＧを大きくすることによって、しきい値電圧を０Ｖ近傍にシフトさせることができる。
【００８６】
トランジスタ１０の−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧは、トランジスタ１０の構造から近似的に求めることができる。図２を用いて、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧをトランジスタ１０の構造から求める方法について説明する。図２（Ａ）は、トランジスタ１０のトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すモデルに対応する等価回路図である。
【００８７】
図２（Ａ）に示すトランジスタ１０のモデルにおいて、導電体２１はボトムゲートとしての機能を有し、絶縁体２２はボトムゲートのゲート絶縁体としての機能を有し、酸化物２３はチャネル形成領域としての機能を有し、導電体２６はトップゲートとしての機能を有し、絶縁体２５はトップゲートのゲート絶縁体としての機能を有する。ここで、絶縁体２２の静電容量をＣＢＧＩとし、酸化物２３の静電容量をＣＳとし、絶縁体２５の静電容量をＣＴＧＩとすると、トランジスタ１０のモデルは、図２（Ｂ）に示す等価回路図で表される。なお、絶縁体２２、酸化物２３、および絶縁体２５をそれぞれ積層膜で形成する場合は、ＣＢＧＩ、ＣＳ、およびＣＴＧＩをそれぞれ、積層膜の直列の合成容量にすればよい。
【００８８】
図２（Ａ）に示すトランジスタ１０において、導電体２１に電圧ＶＢＧが印加された状態で、導電体２６に電圧ＶＴＨを印加すると、酸化物２３と絶縁体２５の界面近傍にチャネルが形成され始める。以下では、トランジスタ１０において、チャネルが形成される領域を領域Ｐとする。
【００８９】
導電体２１と領域Ｐの間の、電圧をＶＢ、合成容量をＣＢとする。ここで、合成容量ＣＢは、ＣＢＧＩとＣＳの合成容量である。また、導電体２６と領域Ｐの間の、電圧をＶＴ、合成容量をＣＴとする。ここで、合成容量ＣＴは、ＣＴＧＩと等しい。
【００９０】
導電体２６にしきい値電圧が印加された時点、領域Ｐにチャネルが形成され始めた時点では、領域Ｐに保持される電荷量は０とみなすことができる。よって、合成容量ＣＢに保持される電荷量と、合成容量ＣＴに保持される電荷量が等しいので、以下の式（１０）が成り立つ。なお、ここでは、モデルとして固定電荷や不純物を考慮していない。これらを考慮した場合も、下記の計算において、固定電荷や不純物の電荷に係る項は０になるので、得られる式は同じである。
【００９１】
【数１０】
2018181890.tif 000012
【００９２】
電圧ＶＴは、電圧Ｖｔｈ、電気素量ｅ、導電体２６の仕事関数φｍＴ、および酸化物２３の電子親和力χＳを用いて、以下の式（１１）で表すことができる。
【００９３】
【数１１】
2018181890.tif 000013
【００９４】
また、電圧ＶＢは、電圧ＶＢＧ、電気素量ｅ、導電体２１の仕事関数φｍＢ、および酸化物２３の電子親和力χＳを用いて、以下の式（１２）で表すことができる。
【００９５】
【数１２】
2018181890.tif 000014
【００９６】
式（１１）および式（１２）を用いて、式（１０）を解くと、以下の式（１３）が得られる。なお、式（１３）において、ＶＢＧに係らない定数は、定数Ｋとした。
【００９７】
【数１３】
2018181890.tif 000015
【００９８】
式（１３）のＶｔｈをＶＢＧについて偏微分すると、以下の式（１４）が得られる。
【００９９】
【数１４】
2018181890.tif 000016
【０１００】
このように、絶縁体２２と酸化物２３の合成容量、および絶縁体２５の静電容量から、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧを求めることができる。よって、例えば、トランジスタ１０において、合成容量ＣＢと合成容量ＣＴが、下記の式（１５）を満たすことが好ましく、下記の式（１６）を満たすことがより好ましい。
【０１０１】
【数１５】
2018181890.tif 000017
【０１０２】
【数１６】
2018181890.tif 000018
【０１０３】
ＣＢ／ＣＴが上記のような範囲をとるトランジスタ１０では、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、トランジスタ１０のＩｃｕｔを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ１０を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ１０を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。
【０１０４】
また、合成容量ＣＢと合成容量ＣＴを形成する膜が平板型の場合、式（１４）を、等価酸化膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｏｘｉｄｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を用いて表すこともできる。なお、本明細書中において、等価酸化膜厚とは、物理的な膜厚を酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと等価な電気的膜厚に換算した値をいう。
【０１０５】
トランジスタ１０において、導電体２１と領域Ｐの間の、ＥＯＴをＥＯＴＢとする。ここで、ＥＯＴＢは、絶縁体２２と酸化物２３のＥＯＴの和である。また、導電体２６と領域Ｐの間の、ＥＯＴをＥＯＴＴとする。ここで、ＥＯＴＴは絶縁体２５のＥＯＴである。ＥＯＴは静電容量の逆数に比例するので、式（１４）より、下記の式（１７）が成り立つ。
【０１０６】
【数１７】
2018181890.tif 000019
【０１０７】
上記においては、酸化物２３と絶縁体２５の界面近傍に領域Ｐが形成される場合について説明したが、本実施の形態に示される半導体装置はこれに限られるものではない。図２（Ｃ）（Ｄ）に示すように、酸化物２３が酸化物２３ａ、酸化物２３ｂ、および酸化物２３ｃの積層構造であり、領域Ｐが酸化物２３ｂと酸化物２３ｃの界面近傍に形成される構成にしてもよい。図２（Ｃ）は、酸化物２３が積層構造のトランジスタ１０のトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）に示すモデルに対応する等価回路図である。
【０１０８】
図２（Ｃ）に示すモデルで、酸化物２３は、酸化物２３ａと、酸化物２３ａ上の酸化物２３ｂと、酸化物２３ｂ上の酸化物２３ｃと、を有する。酸化物２３ａ上に、酸化物２３ｂを有することで、酸化物２３ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３ｃ下に、酸化物２３ｂを有することで、酸化物２３ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。
【０１０９】
また、酸化物２３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２３ａ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２３ｂ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２３ａ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２３ｂ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２３ｂ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２３ａ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２３ｃは、酸化物２３ａまたは酸化物２３ｂ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。
【０１１０】
また、酸化物２３ａおよび酸化物２３ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３ｂ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２３ａおよび酸化物２３ｃの電子親和力が、酸化物２３ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０１１１】
ここで、酸化物２３ａ、酸化物２３ｂ、および酸化物２３ｃ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、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２３ａと酸化物２３ｂとの界面、および酸化物２３ｂと酸化物２３ｃ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。
【０１１２】
具体的には、酸化物２３ａと酸化物２３ｂ、酸化物２３ｂと酸化物２３ｃ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２３ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３ａおよび酸化物２３ｃ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。
【０１１３】
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３ｂまたはその近傍、例えば、酸化物２３ｂと酸化物２３ａの界面になる。酸化物２３ａと酸化物２３ｂとの界面、および酸化物２３ｂと酸化物２３ｃ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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
【０１１４】
図２（Ｃ）に示すトランジスタ１０のモデルにおいて、酸化物２３ａの静電容量をＣＳ１とし、酸化物２３ｂの静電容量をＣＳ２とし、酸化物２３ｃの静電容量をＣＳ３とすると、図２（Ｃ）に示すトランジスタ１０のモデルは、図２（Ｄ）に示す等価回路図で表される。
【０１１５】
導電体２１と領域Ｐの間の合成容量ＣＢは、ＣＢＧＩとＣＳ１とＣＳ２の合成容量となる。また、導電体２６と領域Ｐの間の合成容量ＣＴは、ＣＳ３とＣＴＧＩの合成容量となる。合成容量ＣＢおよび合成容量ＣＴについて、式（１４）が成り立つ。酸化物２３を積層構造としたトランジスタ１０においても、式（１５）または式（１６）を満たす構成にすることで、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、トランジスタ１０のＩｃｕｔを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ１０を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ１０を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。
【０１１６】
以上のようにして、本発明の一態様により、しきい値電圧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、ノーマリーオフの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、絶対値が小さい電圧で動作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、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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
（実施の形態２）
以下では、先の実施の形態に示すトランジスタの具体的な構成の一例について、図３乃至図１６を用いて説明する。
【０１１９】
＜半導体装置の構成例＞
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、および図３（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。
【０１２０】
図３（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３（Ｂ）、および図３（Ｃ）は該半導体装置の断面図である。ここで、図３（Ｂ）は、図３（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。また、図３（Ｃ）は、図３（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３（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】
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（導電体２０３ａ、および導電体２０３ｂ）、およびプラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。
【０１２２】
なお、導電体２０３は、絶縁体２１２の開口の内壁に接して導電体２０３ａが形成され、さらに内側に導電体２０３ｂ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、トランジスタ２００では、導電体２０３ａおよび導電体２０３ｂ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２０３ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０１２３】
また、導電体２４０は、絶縁体２８０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２８０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２４０が単層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、２層以上の積層構造でもよい。
【０１２４】
［トランジスタ２００］
図３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上に配置された絶縁体２５２と、絶縁体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、少なくとも絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、酸化物２３０、および絶縁体２７２と接して配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０１２５】
なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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。また、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３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。
【０１２６】
ここで、導電体２０５は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の導電体２１に対応する。絶縁体２１４および絶縁体２１６は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の導電体２１に対応する。絶縁体２２０、絶縁体２２２および絶縁体２２４は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の絶縁体２２に対応する。酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の酸化物２３（酸化物２３ａ、酸化物２３ｂ、および酸化物２３ｃ）に対応する。絶縁体２５０、および絶縁体２５２は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の絶縁体２５に対応する。導電体２６０は、先の実施の形態に示すトランジスタ１０の導電体２６に対応する。
【０１２７】
トランジスタ２００において、導電体２０５に電圧ＶＢＧ［Ｖ］が印加された状態で、導電体２６０に電圧Ｖｔｈ［Ｖ］より大きい電圧が印加されると、酸化物２３０またはその近傍（例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面）にチャネルが形成され始めるとする。先の実施の形態に示すように、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧがなるべく大きいことが好ましく、例えば、上記の式（８）または式（９）を満たすことが好ましい。
【０１２８】
トランジスタ２００の酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面に領域Ｐが形成される場合、導電体２０５と領域Ｐの間の合成容量ＣＢは、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの合成容量になる。また、導電体２６０と領域Ｐの間の合成容量ＣＴは、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および絶縁体２５２の合成容量になる。トランジスタ２００の合成容量ＣＢおよび合成容量ＣＴが、上記の式（１４）を満たすことが好ましく、さらに、上記の式（１５）または式（１６）を満たすことが好ましい。
【０１２９】
このようなトランジスタ２００にすることにより、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、トランジスタ２００のＩｃｕｔを十分小さくすることができる。よって、絶対値が小さい電圧で動作し、ノーマリーオフの電気特性を有する、トランジスタ２００を提供することができる。さらに、このようなトランジスタ２００を記憶装置のメモリセルのスイッチングトランジスタに用いることで、当該記憶装置のデータ保持時間を長くし、消費電力を低減させることができる。
【０１３０】
また、図３（Ｂ）における破線で囲む、チャネル近傍の領域２３９の拡大図を図４に示す。
【０１３１】
図４に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００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）との間に、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）を有する。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、キャリア密度が高い、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、キャリア密度が低い領域である。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よりもキャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりもキャリア密度が高い領域である。すなわち、領域２３２は、チャネル形成領域と、ソース領域またはドレイン領域との間の接合領域（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）としての機能を有する。なお、領域２３２は、ゲート電極として機能する導電体２６０と重なる、いわゆるオーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する場合がある。
【０１３２】
接合領域を設けることで、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネル形成領域として機能する領域２３４との間に高抵抗領域が形成されず、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
【０１３３】
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、絶縁体２５２は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絶縁体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。
【０１３４】
また、絶縁体２５０、および絶縁体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。従って、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、絶縁体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。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。従って、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体のＥＯＴの薄膜化が可能となる。
【０１３５】
上記積層構造とすることで、導電体２６０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、絶縁体２５０と、絶縁体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、リーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および絶縁体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。
【０１３６】
ここで、絶縁体２５２は、結晶性が低い（または、結晶が少ないともいう）膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体２５２に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体２５２から、絶縁体２５０に過剰酸素が添加され、絶縁体２５０に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体２５０と絶縁体２５２との界面を良好な状態とすることができる。
【０１３７】
具体的には、絶縁体２５２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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が、１μｍ×１μｍの測定範囲において、０．４ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である絶縁体を用いるとよい。
【０１４０】
例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される絶縁体を用いるとよい。
【０１４１】
また、絶縁体２５０、および絶縁体２５２と接して、絶縁体２７２を設けることが好ましい。例えば、絶縁体２７２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とよい。絶縁体２７２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２５０が有する過剰酸素領域の酸素は絶縁体２７４側へ拡散することなく、効率よく領域２３４へ供給される。従って、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０１４２】
以上より、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、オフ電流が小さい酸化物半導体を有する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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
導電体２０３は、図３（Ａ）、および図３（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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。
【０１４７】
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の膜厚を大き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。
【０１４８】
なお、導電体２０５は、図３（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３（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（Ｗ長方向）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。
【０１４９】
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、がつながることで、閉回路を形成し、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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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導電体２０５ａが形成され、さらに内側に導電体２０５ｂが形成されている。ここで、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂ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２０５ａおよび導電体２０５ｂ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２０５ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０１５２】
ここで、導電体２０５ａおよび導電体２０３ａ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。
【０１５３】
導電体２０５ａ、および導電体２０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５ｂおよび導電体２０３ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。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。従って、導電体２０５ａ、および導電体２０３ａ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、絶縁体２１０より基板側から、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。
【０１５４】
また、導電体２０５ｂ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２０５ｂを単層で図示したが、積層構造としても良く、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。
【０１５５】
また、導電体２０３ｂは、配線として機能するため、導電体２０５ｂ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２０３ｂは積層構造としても良く、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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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に混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能することが好ましい。従って、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。
【０１５８】
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よりトランジスタ側に拡散するの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より基板側に、拡散するのを抑制することができる。
【０１５９】
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２０３ｂ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防ぐことができる。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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良い。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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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酸化物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、信頼性を向上させることができる。
【０１６４】
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、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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、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。
【０１６７】
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、低電圧化が可能となる。
【０１６８】
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とよい。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。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【０１６９】
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良い。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。
【０１７０】
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２２２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。
【０１７１】
上記において、ボトムゲート絶縁膜として、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を設ける構成について説明したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４のうちいずれかを設けずに、単層または２層にする構成にしてもよい。また、例えば、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。
【０１７２】
例えば、絶縁体２２２に酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）および酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いて、導電体２０５側から順に、ＨｆＯｘ、ＡｌＯｘ、ＨｆＯｘ、ＡｌＯｘ、と積層する構成にすればよい。このとき各層の膜厚は２〜５ｎｍ程度とし、絶縁体２２２の膜厚を１０〜２０ｎｍ程度にすればよい。このような絶縁体２２２の成膜は、ＡＬＤ法を用いて各層ごとに成膜ガスを切り替えながら行うことが好ましい。絶縁体２２２をこのような膜構成にすることにより、ＨｆＯｘの結晶化によるリーク電流の発生を防ぐことができる。また、絶縁体２２２は、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）および酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いて、導電体２０５側から順に、ＳｉＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯｘ、ＨｆＯｘ、と積層する構成にしてもよい。このような絶縁体２２２を、絶縁体２２０と絶縁体２２４で挟んで積層する構成にしてもよいし、絶縁体２２０および／または絶縁体２２４を設けない構成にしてもよい。
【０１７３】
また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有することが好ましい。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７４と接し、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも大きいことが好ましい。また、領域２３２は、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が、領域２３４よりも大きく、かつ領域２３１よりも小さいことが好ましい。
【０１７４】
つまり、領域２３１、および領域２３２は、酸化物２３０として設けられた金属酸化物に、インジウム、ガリウムなどの金属原子、または不純物を添加した領域である。なお、領域２３１は、領域２３４よりも、導電性が高い。なお、領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加するために、例えば、プラズマ処理、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、インジウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。
【０１７５】
例えば、酸化物２３０に接して、不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜することで、領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加することができる。または、領域２３１において、酸化物２３０のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
【０１７６】
つまり、領域２３１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を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、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、及びキセノン等がある。よって、領域２３１は、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
【０１７７】
なお、図３、および図４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、これに限られることなく、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３、および図４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２３０ａ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。
【０１７８】
また、トランジスタ２００において、領域２３２を低抵抗化した場合、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、ゲートとが重ならないため、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。
【０１７９】
また、例えば、領域２３２にガリウムなどを添加した場合、領域２３１から領域２３４へ、水素などの不純物の横拡散を抑制することで、意図しない実効チャネル長の縮小を抑制することができる。
【０１８０】
従って、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。
【０１８１】
従って、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。
【０１８２】
また、酸化物２３０の側面と、酸化物２３０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以下とすることが好ましい。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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が提供できる。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。
【０１８５】
絶縁体２５０は、ゲート絶縁膜として機能する。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、加熱により酸素が放出される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、酸素分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、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
加熱により酸素が放出される絶縁体を、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、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。
【０１８８】
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、絶縁体２５２は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絶縁体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。
【０１８９】
また、絶縁体２５０、および絶縁体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。従って、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、絶縁体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。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。従って、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
【０１９０】
上記積層構造とすることで、導電体２６０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、絶縁体２５０と、絶縁体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、リーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および絶縁体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。
【０１９１】
ここで、絶縁体２５２は、結晶性が低い（または、結晶が少ないともいう）膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体２５２に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体２５２から、絶縁体２５０に過剰酸素が添加され、絶縁体２５０に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体２５０と絶縁体２５２との界面を良好な状態とすることができる。
【０１９２】
具体的には、絶縁体２５２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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が、１μｍ×１μｍの測定範囲において、０．４ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である絶縁体を用いるとよい。
【０１９５】
例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される絶縁体を用いるとよい。
【０１９６】
上記において、トップゲート絶縁膜として、絶縁体２５０、および絶縁体２５２を設ける構成について説明したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体２５０、および絶縁体２５２のうちいずれかを設けずに、単層にする構成にしてもよい。また、例えば、絶縁体２５０、および絶縁体２５２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。
【０１９７】
例えば、絶縁体２５０に酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を、絶縁体２５２に酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）を用いて、酸化物２３０側から順に、ＳｉＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯｘ、ＨｆＯｘ、と積層する構成にすればよい。このとき各層の膜厚は２〜５ｎｍ程度とし、全体の膜厚を１０〜２０ｎｍ程度にすればよい。このような絶縁体２５０、および絶縁体２５２の成膜は、ＡＬＤ法を用いて各層ごとに成膜ガスを切り替えながら行うことが好ましい。絶縁体２５０、および絶縁体２５２をこのような膜構成にすることにより、ＨｆＯｘの結晶化によるリーク電流の発生を防ぐことができる。また、絶縁体２５０に酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を、絶縁体２５２に酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）を用いて、酸化物２３０側から順に、ＡｌＯｘ、ＨｆＯｘ、ＡｌＯｘ、ＨｆＯｘ、と積層する構成にしてもよい。
【０１９８】
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２０５ａ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。
【０１９９】
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、および絶縁体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防ぐことができる。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。
【０２００】
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良く、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。
【０２０１】
また、例えば、導電体２６０ａとして、導電性酸化物を用いることができる。例えば、酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体２６０ａを設けることで、導電体２６０ｂへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体２６０ｂの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。
【０２０２】
また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５０、および絶縁体２５２に酸素を添加することで、酸化物２３０の領域２３４に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる。
【０２０３】
上記導電性酸化物を導電体２６０ａとして用いる場合、導電体２６０ｂには、導電体２６０ａに窒素などの不純物を添加し、導電体２６０ａの導電性を向上できる導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体２６０ｂを、窒化チタンなどの金属窒化物と、その上にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。
【０２０４】
また、図３（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、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。
【０２０５】
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、がつながることで、閉回路を形成し、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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
また、導電体２６０ｂの上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０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度以下である形状とすることができる。導電体を該形状に加工することで、後工程で形成する絶縁体２７２の加工が容易となる。
【０２０８】
バリア膜として機能する絶縁体２７２は、絶縁体２５０、絶縁体２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。
【０２０９】
ここで、絶縁体２７２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２５０、および絶縁体２５２中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２５０、および絶縁体２５２の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。従って、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０２１０】
絶縁体２７２を設けることで、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体で、導電体２６０の上面と側面、絶縁体２５０の側面、および絶縁体２５２の側面を覆うことができる。これにより、導電体２６０、絶縁体２５０および絶縁体２５２を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを防ぐことができる。従って、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとして機能を有する。
【０２１１】
特に、トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度に形成されている場合、トランジスタ２００の周辺に設けられる構造体に含まれる不純物元素が拡散し、領域２３１ａと、領域２３１ｂと、が電気的に導通する恐れがある。上記構造とすることで、第１のゲート電圧が０Ｖのときに、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。
【０２１２】
絶縁体２７４は、絶縁体２７０、絶縁体２７２、酸化物２３０および絶縁体２２４を覆って設ける。ここで、絶縁体２７４は、絶縁体２７０および絶縁体２７２の上面に接し、かつ絶縁体２７２の側面に接して設けられる。
【０２１３】
また、絶縁体２７４は、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が好ましい。例えば、絶縁体２７４として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。
【０２１４】
なお、絶縁体２７４を成膜することにより、領域２３１、および領域２３２を設ける場合、絶縁体２７４は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。水素、または窒素などの不純物を有する絶縁体を絶縁体２７４に用いることで、水素または窒素などの不純物を酸化物２３０に添加して、酸化物２３０において、領域２３１、および領域２３２を形成することができる。
【０２１５】
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。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２１０と同様の絶縁体を設けてもよい。
【０２１６】
また、絶縁体２８０および絶縁体２７４に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８０の上面と、同一平面上としてもよい。
【０２１７】
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。領域２３１ａおよび領域２３１ｂは低抵抗化されているので、導電体２４０ａと領域２３１ａの接触抵抗、および導電体２４０ｂと領域２３１ｂの接触抵抗を低減し、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
【０２１８】
なお、絶縁体２８０および絶縁体２７４の開口の内壁に接して導電体２４０ａ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２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８０および絶縁体２７４の開口の内壁に接して導電体２４０ｂ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２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０２１９】
ここで、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。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、Ａ３側の側面、およびＡ４側の側面の双方または一方と接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）の側面と接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が酸化物２３０の上面に加えて、酸化物２３０の側面と接する構成にすることにより、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂと酸化物２３０のコンタクト部の上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と酸化物２３０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。
【０２２０】
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、図示しないが、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としても良く、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。
【０２２１】
導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２７４、および絶縁体２８０と接する導電体には、導電体２０５ａ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。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。
【０２２２】
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、該導電体は、積層構造としても良く、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、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。
【０２２３】
＜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。
【０２２４】
＜＜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単体半導体基板、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。
【０２２５】
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう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、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう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。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０２２６】
可とう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。可とう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。可とう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、可とう性基板である基板として好適である。
【０２２７】
＜＜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。
【０２２８】
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、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。従って、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
また、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２５２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。
【０２３６】
ここで、絶縁体２２４および絶縁体２５２は、結晶性が低い（または、結晶が少ないともいう）膜、またはアモルファス構造を含む膜を用いるとよい。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。例えば、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体２２４および絶縁体２５２に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体２２４および絶縁体２５２から、絶縁体２２４、および絶縁体２５０に過剰酸素が添加され、絶縁体２２４、および絶縁体２５０に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、絶縁体２５０と絶縁体２５２との界面、および絶縁体２２０と絶縁体２２２の界面、絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面を良好な状態とすることができる。
【０２３７】
例えば、平坦性が高い膜として、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が、１μｍ×１μｍの測定範囲において、０．４ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である絶縁体を用いるとよい。
【０２３８】
例えば、結晶性が低い膜として、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される絶縁体を用いるとよい。
【０２３９】
例えば、絶縁体２２２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。
【０２４０】
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、リーク電流を抑制することができる。
【０２４１】
絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１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、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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。
【０２４２】
絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７０、および絶縁体２７２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２７２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。
【０２４３】
＜＜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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
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。
【０２４８】
＜＜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。
【０２４９】
酸化物半導体は、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、シリコン、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。
【０２５０】
ここでは、酸化物半導体が、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、シリコン、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。
【０２５１】
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。
【０２５２】
［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。
【０２５３】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、及び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。
【０２５４】
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（またはホール）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。
【０２５５】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及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。
【０２５６】
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。
【０２５７】
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、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
【０２５８】
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。
【０２５９】
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体は、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。
【０２６０】
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。
【０２６１】
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）を確認することはできない。即ち、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と考えられる。
【０２６２】
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。
【０２６３】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体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）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
【０２６４】
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。
【０２６５】
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酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０２６６】
酸化物半導体は、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。
【０２６７】
［酸化物半導体を有するトランジスタ］
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
【０２６８】
なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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。
【０２６９】
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体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言う。例えば、酸化物半導体は、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。
【０２７０】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。
【０２７１】
また、酸化物半導体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酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２７２】
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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。
【０２７３】
［不純物］
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
【０２７４】
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体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。
【０２７５】
また、酸化物半導体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。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体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により得られる酸化物半導体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。
【０２７６】
また、酸化物半導体において、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酸化物半導体を半導体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。従って、該酸化物半導体において、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、酸化物半導体中の窒素濃度は、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。
【０２７７】
また、酸化物半導体に含まれる水素は、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酸化物半導体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、酸化物半導体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、酸化物半導体において、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。
【０２７８】
不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル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。
【０２７９】
＜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５乃至図１３を用いて説明する。また、図５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。
【０２８０】
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ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
【０２８１】
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。
【０２８２】
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小さく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。
【０２８３】
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法も、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。
【０２８４】
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。
【０２８５】
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の分、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。
【０２８６】
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、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、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。
【０２８７】
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。
【０２８８】
次に、絶縁体２１２、および絶縁体２１０に開口を形成する。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。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチング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をエッチングして溝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、溝を形成する絶縁体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。
【０２８９】
開口の形成後に、導電体２０３ａとなる導電膜を成膜する。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望ましい。たとえば、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２０３ａとなる導電体の成膜は、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】
本実施の形態では、導電体２０３ａ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２０３ａ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２０３ｂ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２０３ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
【０２９１】
次に、導電体２０３ａとなる導電膜上に、導電体２０３ｂとなる導電膜を成膜する。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２０３ｂ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。
【０２９２】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３ａとなる導電膜、ならびに導電体２０３ｂ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２０３ａとなる導電膜、ならびに導電体２０３ｂ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２０３ａおよび導電体２０３ｂを含む導電体２０３を形成することができる（図５参照。）。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。
【０２９３】
次に、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２０３ｂ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防ぐことができる。
【０２９４】
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。
【０２９５】
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。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。
【０２９６】
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａ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望ましい。たとえば、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２０５ａ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。
【０２９７】
本実施の形態では、導電体２０５ａ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。
【０２９８】
次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。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。
【０２９９】
本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、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。
【０３００】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｂ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２０５ａ、および導電体２０５ｂ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２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図５参照。）。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。
【０３０１】
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２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３０２】
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成膜するとよい。なお、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。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、および水は、トランジスタ２００の内側へ拡散することなく、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
【０３０３】
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。
【０３０４】
ここで、絶縁体２２２は、結晶性が低い（または、結晶が少ないともいう）膜、またはアモルファス構造を含む膜とする。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁体２２２に用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁体２２２から、絶縁体２２４に過剰酸素が添加され、絶縁体２２４に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、積層する他の膜との界面を良好な状態とすることができる。
【０３０５】
絶縁体２２２に用いることができる結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、成膜温度がＲ．Ｔ以上２００℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、成膜することができる。なお、成膜温度は、好ましくは１３０℃以下、さらに好ましくはＲ．Ｔ（Ｒ．Ｔ：Ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ。なお、本明細書においてＲ．Ｔとは、意図的に加熱しない温度とする）とするとよい。また、酸素を含む混合雰囲気としては、酸素と希ガスとの混合ガス、または酸素と窒素との混合ガスを用いることができる。
【０３０６】
成膜温度が２００℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が、１μｍ×１μｍの測定範囲において、０．４ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である絶縁体２２２を成膜することができる。また、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される絶縁体２２２を成膜することができる。
【０３０７】
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５参照。）。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。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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時間の処理を行なう。
【０３１０】
上記加熱処理によって、絶縁体２２２から、絶縁体２２４に過剰酸素が添加され、絶縁体２２４に過剰酸素領域を容易に形成することができる。また、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。
【０３１１】
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。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。
【０３１２】
ここで、絶縁体２２４Ａ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、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。
【０３１３】
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６参照。）。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。
【０３１４】
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。
【０３１５】
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜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、上記の酸化膜の成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。
【０３１６】
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。従って、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。
【０３１７】
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。
【０３１８】
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。
【０３１９】
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時間の処理を行なった後に、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。
【０３２０】
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７参照。）。
【０３２１】
なお、上記工程において、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。
【０３２２】
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。
【０３２３】
また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ａ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以下とすることが好ましい。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。
【０３２４】
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、該加工はドライエッチング法やウェ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。
【０３２５】
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、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェ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ェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
【０３２６】
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良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。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。上記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良い。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。
【０３２７】
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。
【０３２８】
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。
【０３２９】
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ェット洗浄、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。
【０３３０】
ウェット洗浄としては、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。
【０３３１】
続いて、加熱処理を行っても良い。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。
【０３３２】
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜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８参照。）。
【０３３３】
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。
【０３３４】
次に、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。本実施例では、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とよい。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。
【０３３５】
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、該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａ、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃ、へ酸素を導入することができる。
【０３３６】
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。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。
【０３３７】
次に、絶縁膜２５０Ａ上に絶縁膜２５２Ａを成膜する。絶縁膜２５２Ａとして、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成膜するとよい。なお、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。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、および水は、トランジスタ２００の内側へ拡散することなく、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
【０３３８】
絶縁膜２５２Ａ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。
【０３３９】
ここで、絶縁膜２５２Ａは、結晶性が低い（または、結晶が少ないともいう）膜、またはアモルファス構造を含む膜とする。結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、該酸化膜が有する酸素を、加熱により、近接する絶縁体へと拡散することができる。結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜を絶縁膜２５２Ａに用いることで、後工程の熱履歴により、絶縁膜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。また、結晶性が低い膜、またはアモルファス構造を含む膜は、平坦性が高く、積層する他の膜との界面を良好な状態とすることができる。
【０３４０】
絶縁膜２５２Ａに用いることができる結晶性が低い、またはアモルファス構造を含む酸化膜は、成膜温度がＲ．Ｔ以上２００℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、成膜することができる。なお、成膜温度は、好ましくは１３０℃以下、さらに好ましくはＲ．Ｔ（Ｒ．Ｔとは、意図的に加熱しない温度とする）とするとよい。また、酸素を含む混合雰囲気としては、酸素と希ガスとの混合ガス、または酸素と窒素との混合ガスを用いることができる。
【０３４１】
成膜温度が２００℃以下、および酸素を含む混合雰囲気下でのスパッタリング法により、原子間力顕微鏡を用いて測定した自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）が、１μｍ×１μｍの測定範囲において、０．４ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である絶縁体２２２を成膜することができる。また、電子顕微鏡を用いた電子線回折パターンの結果が、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される絶縁膜２５２Ａを成膜することができる。
【０３４２】
また、絶縁膜２５２Ａとして金属酸化物を、酸素を含む雰囲気において、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁膜２５０Ａに酸素を添加し、絶縁膜２５０Ａ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、酸素欠損を補償することができる。
【０３４３】
ここで、スパッタリング法による絶縁膜２５２Ａの成膜時には、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。
【０３４４】
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介して、形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４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、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４内部まで到達する。イオンが絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４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膜２５０Ａ、および絶縁体２２４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、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４に過剰酸素領域が形成される。
【０３４５】
絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４の過剰な酸素は、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損が補填することができる。
【０３４６】
従って、絶縁膜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、絶縁膜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。特に、絶縁膜２５２Ａに、バリア性を有す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用いることで、絶縁体２５０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。
【０３４７】
続いて、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを成膜する。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。本実施の形態では、導電膜２６０Ａとして、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、導電膜２０５Ｂとして、ＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
【０３４８】
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、絶縁体２５２から、絶縁体２５０、および絶縁体２２４に過剰酸素が添加され、絶縁体２５０、および絶縁体２２４に過剰酸素領域を容易に形成することができる。
【０３４９】
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の酸化を防ぐことができる。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に混入することを防ぐことができる。本実施の形態では、絶縁膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する。
【０３５０】
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２７２Ａ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２７２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。本実施の形態では、絶縁膜２７１Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３５１】
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、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、基板に対し、概略垂直に形成することができる。
【０３５２】
絶縁体２７１をマスクとして、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）絶縁体２５０、絶縁体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９参照。）。絶縁体２５０、絶縁体２５２、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、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。
【０３５３】
また、絶縁体２５０の側面、絶縁体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の側面は、同一面内であることが好ましい。
【０３５４】
また、絶縁体２５０の側面、絶縁体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の側面が共有する同一面は、基板に対し、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、絶縁体２５０、絶縁体２５２、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、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、絶縁体２５２、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、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、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、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。
【０３５５】
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。その場合、絶縁体２７１は、後工程で実施されるドーパントの添加においてもハードマスクとして機能することができる。
【０３５６】
また、上記エッチングにより、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０と重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０と重なる領域の膜厚が、絶縁体２５０と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。
【０３５７】
次に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、絶縁体２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図１０参照。）。絶縁膜２７２Ａとして、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、導電体２６０などにより形成された段差部においても、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。
【０３５８】
次に、絶縁膜２７２Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して、絶縁体２７２を形成する（図１１参照。）。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２を自己整合的に形成することができる。
【０３５９】
ここで、絶縁体２７０上に絶縁体２７１を形成しておくことで、絶縁体２７０上部の絶縁膜２７２Ａが除去されても、絶縁体２７０を残存させることができる。また、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１からなる構造体の高さを、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃの高さよりも、高くすることで、酸化膜２３０Ｃを介した酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの側面の絶縁膜２７２Ａを、除去することができる。さらに、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの端部をラウンド形状にしておくと、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの側面に、酸化膜２３０Ｃを介して成膜された絶縁膜２７２Ａを除去するための時間が短縮され、より容易に絶縁体２７２を形成することができる。
【０３６０】
また、図示しないが、酸化物２３０の側面にも絶縁膜２７２Ａ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、酸化物２３０の側面に絶縁体が残存することで、酸化物２３０に混入する水または水素などの不純物を低減し、酸化物２３０から酸素が外方拡散するのを防ぐことができる場合がある。
【０３６１】
また、酸化物２３０の側面に接して絶縁膜２７２Ａの残存した構造体が形成されていることで、後の工程で、不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜し、酸化物２３０に領域２３１ａ、および領域２３１ｂを形成する場合、絶縁体２２４と酸化物２３０との界面領域は、低抵抗化されないため、リーク電流の発生を抑制することができる。または、酸化物２３０にインジウムを添加する際に、酸化物２３０ａに濃度のピークを持つように、ドーパントを添加したとしても、酸化物２３０ａを介したリーク電流の発生を抑制することができる。
【０３６２】
なお、当該異方性エッチングは、後述するドーパントの添加後に行っても良い。この場合、ドーパントは、絶縁膜２７２Ａを介して酸化物２３０に添加される。
【０３６３】
続いて、酸化物２３０において、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を形成する。領域２３１、および領域２３２は、酸化物２３０として設けられた金属酸化物に、インジウム、ガリウムなどの金属原子、または不純物を添加した領域である。なお、領域２３１は、少なくとも、領域２３４における酸化物２３０ｂよりも、導電性が高い。
【０３６４】
領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加するために、例えば、インジウム、またはガリウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。なお、ドーパントとしては、上述の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、該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、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、及びキセノン等がある。
【０３６５】
例えば、領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加するために、ドーパントを含む膜を絶縁体２７４として、領域２３１に接して成膜するとよい。絶縁体２７４は、上記元素の一種、または複数種を含む絶縁膜を用いることが好ましい（図１２参照。）。
【０３６６】
具体的には、酸化物２３０に接して、窒素などの不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜するとよい。窒素などの不純物となる元素を含む絶縁体は、酸化物２３０に含まれる酸素を引き抜き、吸収する場合がある。酸化物２３０から、酸素が引き抜かれると、領域２３１、および領域２３２には酸素欠損が生じる。該酸素欠損に、絶縁体２７４の成膜や成膜後の熱処理により、絶縁体２７４の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が捕獲され、領域２３１、および領域２３２は低抵抗化する。つまり、酸化物２３０は、絶縁体２７４と接する領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。その際、絶縁体２７４と接しない領域２３２にも不純物が拡散することで、低抵抗化すると考えられる。
【０３６７】
従って、絶縁体２７４の成膜により、ソース領域およびドレイン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。
【０３６８】
ここで、導電体２６０、絶縁体２５２および絶縁体２５０の上面および側面を、絶縁体２７０および絶縁体２７２で覆っておくことで、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０、絶縁体２５２および絶縁体２５０に混入することを防ぐことができる。これにより、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０、絶縁体２５２および絶縁体２５０を通って、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４に混入することを防ぐことができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタ２００を提供することができる。
【０３６９】
例えば、絶縁体２７４として、ＣＶＤ法を用いて成膜した、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体２７４として、窒化酸化シリコンを用いる。
【０３７０】
絶縁体２７４として、窒化酸化シリコンを用いた場合、領域２３１ａ、および領域２３１ｂは、領域２３４より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。ここで、領域２３４の水素または窒素の濃度としては、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０と重なる領域の中央近傍（例えば、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分）の水素または窒素の濃度を測定すればよい。
【０３７１】
なお、上記において、絶縁体２７４の成膜による酸化物２３０の低抵抗化、を用いて、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。
【０３７２】
他のドーパントの添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。
【０３７３】
また、ドーパントは、プラズマ処理にて添加されてもよい。この場合、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング装置、アッシング装置を用いてプラズマ処理を行い、の領域２３１、および領域２３２にドーパントを添加することができる。なお、上述した処理を複数組み合わせて、各領域などを形成してもよい。
【０３７４】
例えば、領域２３１は、上述の酸素欠損を形成する元素、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。または、例えば、領域２３１において、インジウムなどの金属元を添加し、酸化物２３０のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。なお、インジウムを添加する場合、少なくとも領域２３１における元素Ｍに対するインジウムの原子数比が、領域２３４の元素Ｍに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。
【０３７５】
また、例えば、領域２３２は、ガリウムの含有率を高くすることで、領域２３１に添加された水素などの不純物の拡散を抑制することで、意図しない実行チャネル長の縮小を抑制することができる。
【０３７６】
また、例えば、絶縁体２５０、絶縁体２５２、導電体２６０、絶縁体２７２、絶縁体２７０、および絶縁体２７１をマスクとして、酸化物２３０にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理は、上述の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を含む雰囲気などで行えばよい。例えば、アルゴンガスと窒素ガスを用いてプラズマ処理を行えばよい。
【０３７７】
また、例えば、絶縁膜２７２Ａを成膜した後、絶縁膜２７２Ａを介して、イオンドーピング法により、ドーパントを添加してもよい。絶縁膜２７２Ａは、酸化物２３０、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０を覆って設けられている。従って、酸化物２３０の上面に対する垂直方向において、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０の側周辺と、その他の領域において異なる。つまり、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０の側周辺では、その他の領域よりも大きい。つまり、絶縁膜２７２Ａを介して、ドーパントを添加することで、チャネル長が１０ｎｍから３０ｎｍ程度に微細化されたトランジスタでも、自己整合的に、領域２３１、領域２３２を設けることができる。また、領域２３２は、後工程で行う熱処理などの工程において、領域２３１のドーパントが拡散することにより、形成されてもよい。
【０３７８】
トランジスタ２００において、および領域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、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。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。
【０３７９】
従って、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。
【０３８０】
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。加熱処理を行うことで、添加されたドーパントが、酸化物２３０の領域２３２へと拡散し、オン電流を大きくすることができる。
【０３８１】
次に、絶縁体２７４の上に、絶縁体２８０を成膜する。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。本実施の形態では、該絶縁膜として、酸化窒化シリコンを用いる。
【０３８２】
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、絶縁体２８０となる絶縁膜として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。
【０３８３】
次に、絶縁体２８０および絶縁体２７４に、酸化物２３０の領域２３１ａに達する開口と、酸化物２３０の領域２３１ｂに達する開口と、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２４０ａ、および導電体２４０ｂ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。
【０３８４】
次に、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。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。
【０３８５】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８０を露出する。その結果、上記開口のみに、該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成することができる（図１３参照。）。
【０３８６】
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５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。
【０３８７】
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、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。
【０３８８】
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。
【０３８９】
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１４、図１５、および図１６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。
【０３９０】
図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、および図１６（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１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）、図１６（Ｂ）、および図１６（Ｃ）は該半導体装置の断面図である。ここで、図１４（Ｂ）、図１５（Ｂ）、または図１６（Ｂ）は、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、または図１６（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。また、図１４（Ｃ）、図１５（Ｃ）、または図１６（Ｃ）は、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、または図１６（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１４（Ａ）、図１５（Ａ）、および図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。
【０３９１】
なお、図１４、図１５（Ａ）、および図１６（Ａ）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。
【０３９２】
以下、トランジスタ２００の構成についてそれぞれ図１４、図１５（Ａ）、および図１６（Ａ）を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００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。
【０３９３】
［半導体装置の変形例１］
図１４に示すように、トランジスタ２００は、＜半導体装置の構成例１＞に示した半導体装置とは、少なくとも絶縁体２７３を有することが異なる。
【０３９４】
具体的には、図１４に示すように、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２７２、および絶縁体２７１と、絶縁体２７４との間に、絶縁体２７３を有する。
【０３９５】
図１４に示すように、絶縁体２７４と、酸化物２３０との間に絶縁体２７３を設けることで、絶縁体２７４を成膜した際に拡散するドーパントの量を調整することができる。従って、絶縁体２７３の膜厚、および材料は、求めるトランジスタの性能により、適宜設計すればよい。
【０３９６】
例えば、絶縁体２７３として、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２７３の膜厚を薄くすることができる。具体的には、絶縁体２７３の膜厚は、０．５ｎｍ以上、１．２ｎｍ以下であることが好ましい。
【０３９７】
なお、絶縁体２７３は、ＡＬＤ法により成膜するとよい。ＡＬＤ法を用いることで、被膜性が高い絶縁体２７３を成膜することができる。
【０３９８】
また、絶縁体２７３を設けることで、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体で、絶縁体２７２の側面を覆うことで、絶縁体２７２のバリア性を強化することができる。これにより、導電体２６０、絶縁体２５０および絶縁体２５２を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを防ぐことができる。従って、絶縁体２７３は、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとして機能を有する。
【０３９９】
［半導体装置の変形例２］
図１５に示すように、トランジスタ２００は、＜半導体装置の構成例１＞に示した半導体装置とは、少なくとも酸化物２３０ｃの形状が異なる。
【０４００】
具体的には、図１５に示すように、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを覆って設ける。つまり、酸化物２３０ｂは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにより包囲される。当該構造とすることで、領域２３４において、チャネルが形成される酸化物２３０ｂに不純物が混入することを抑制することができる。
【０４０１】
また、酸化物２３０ａの側面と酸化物２３０ｂの側面は同一面上となるように、設けられていることが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂを覆って形成されることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面および側面、ならびに絶縁体２２４の上面の一部に接して形成される。ここで、酸化物２３０ｃを上面から見ると、酸化物２３０ｃの側面は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面の外側に位置する。当該構造とすることで、トランジスタ２００が、導電体２４０と電気的に接続する場合、絶縁体２２４上においても、酸化物２３０ｃを介して導通するため、オーミック接触が良好となる。
【０４０２】
［半導体装置の変形例３］
図１６に示すように、トランジスタ２００は、＜半導体装置の変形例１＞に示した半導体装置と、絶縁体２７５が設けられている点、絶縁体２７３の膜厚の一部が薄くなっている点、絶縁体２７２が設けられていない点、領域２３６が設けられている点などにおいて異なる。
【０４０３】
具体的には、図１６に示すように、絶縁体２７５は、絶縁体２７３を介して導電体２６０の側面に配置される。絶縁体２７５は、絶縁体２７１に用いることができる絶縁材料を用いればよい。絶縁体２７５を介して、水素、または窒素などを含む膜として、絶縁体２７４を設けることで、絶縁体２７５と重畳する領域（領域２３４）は、水素、および窒素の添加が抑制される。また、領域２３２は、絶縁体２７５の形状、膜厚、および幅などにより、決定する。したがって、絶縁体２７５を適宜設計することで、水素、および窒素が拡散する領域２３２を制御し、トランジスタ２００に求める特性を得ることができる。
【０４０４】
また、絶縁体２７３が、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとして機能を兼ねていてもよい。サイドバリアとして不純物の拡散を防止するための膜厚と、バッファ層として少なくとも領域２３１を低抵抗化する量の不純物を拡散するための膜厚が異なる場合がある。つまり、絶縁体２７３は、サイドバリアとして機能する領域と、バッファ層として機能する領域とでは、求める膜厚が異なる場合がある。したがって、絶縁体２７３は、絶縁体２７３と接する領域における膜厚は、導電体２６０の側面、絶縁体２５０の側面、および絶縁体２５２の側面と接する膜厚よりも大きいことが好ましい。
【０４０５】
また、このように絶縁体２７３と絶縁体２７５を設ける場合、絶縁体２７２を設けない構成にしてもよい。
【０４０６】
また、図１５に示すように、絶縁体２２４を島状に形成し、絶縁体２７３が、絶縁体２２４と重ならない領域で、絶縁体２２２と接するようにしてもよい。絶縁体２２２、および絶縁体２７３が接することで、酸化物２３０は、水素、または窒素の拡散を抑制する膜で封止される構造となる。したがって、酸化物２３０へ、絶縁体２７４以外の構造体から、過剰な不純物が混入することを防止することができる。
【０４０７】
また、酸化物２３０ｂは、導電体２４０と重畳する領域２３６（領域２３６ａ、および領域２３６ｂ）を有していてもよい。領域２３６は、ソース領域ドレイン領域として機能する２３１よりも、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。トランジスタの微細化に伴い、酸化物２３０と導電体２４０との接触面積も小さくなる。領域２３６を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との十分なオーミック接触を確保することができる。
【０４０８】
領域２３６は、上述の酸素欠損を形成する元素、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。また、インジウムなどの金属元を添加し、領域２３６において、インジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。なお、インジウムを添加する場合、少なくとも領域２３６における元素Ｍに対するインジウムの原子数比が、領域２３４の元素Ｍに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。
【０４０９】
領域２３６を低抵抗化するには、酸化物２３０が露出する開口を、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に設け、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３をマスクとして、不純物、または金属元素を添加するとよい。
【０４１０】
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。
【０４１１】
（実施の形態３）
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。
【０４１２】
＜半導体装置の構成例＞
図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）、および図１７（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、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。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
【０４１３】
図１７（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図１７（Ｂ）、および図１７（Ｃ）はセル６００の断面図である。ここで、図１７（Ｂ）は、図１７（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。また、図１７（Ｃ）は、図１７（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１７（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。
【０４１４】
［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、容量素子１００、および層間膜として機能する絶縁体２８０を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、導電体２４０ｃ、および導電体２４０ｄ）とを有する。
【０４１５】
図１７に示すセル６００は、トランジスタ２００と、容量素子１００とを、同層に設けることで、トランジスタ２００を構成する構造の一部を、容量素子１００が構成する構造の一部と、併用することができる。つまり、トランジスタ２００の構造の一部は、容量素子１００の構造の一部として、機能する場合がある。
【０４１６】
また、トランジスタ２００に、容量素子１００の一部、または全体が、重畳することで、トランジスタ２００の投影面積、および容量素子１００の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。
【０４１７】
また、トランジスタ２００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する導電体２４０ｂ、および導電体２０７（導電体２０７ａ、および導電体２０７ｂ）を、容量素子１００、およびトランジスタ２００が重畳する領域の下部に設けることで、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、導電体２０７は、トランジスタ２００の構成である導電体２０５と同工程で形成できるため、工程短縮が可能となる。
【０４１８】
なお、容量素子１００において、必要な容量値に応じて、トランジスタ２００、および容量素子１００のレイアウトを適宜設計することができる。
【０４１９】
例えば、容量素子１００の面積は、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体１２０が、絶縁体１３０を介して重畳する面積により決定される。従って、セル６００に必要な容量値が図１７（Ａ）、および図１７（Ｂ）に示す容量素子１００では得られない場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの領域２３１ｂにおけるＡ３−Ａ４方向の幅を、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの領域２３４におけるＡ３−Ａ４方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。
【０４２０】
また、例えば、酸化物２３０の領域２３１ｂにおけるＡ１−Ａ２方向の長さを、導電体１２０におけるＡ１−Ａ２方向の長さのよりも長くしてもよい。その場合、導電体２４０ｂを、絶縁体２８０に埋め込むことができる。つまり、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体２４０ｂとが、酸化物２３０の領域２３１ｂと導電体１２０とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。従って、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。
【０４２１】
上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ２００は、容量素子１００と、同一の工程で形成する。従って、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【０４２２】
［トランジスタ２００］
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１７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。
【０４２３】
［容量素子１００］
図１７に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂを、容量素子１００の電極の一方として機能する容量素子１００の例について示す。
【０４２４】
容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂ、領域２３１上に絶縁体１３０、絶縁体１３０上に導電体１２０を有する。さらに、絶縁体１３０の上に、少なくとも一部が酸化物２３０の領域２３１ｂと重なるように、導電体１２０が配置されることが好ましい。
【０４２５】
酸化物２３０の領域２３１ｂは、容量素子１００の電極の一方として機能し、導電体１２０は容量素子１００の電極の他方として機能する。絶縁体１３０は容量素子１００の誘電体として機能する。酸化物２３０の領域２３１ｂは低抵抗化されており、導電性酸化物である。従って、容量素子１００の電極の一方として機能することができる。
【０４２６】
なお、絶縁体２７４を加工することで、絶縁体１３０を設けてもよい。また、絶縁体１３０（絶縁体２７４）は、トランジスタ２００、および絶縁体２２４と接して残存していてもよい。
【０４２７】
また、イオンドーピング法、またはプラズマ処理などにより、酸化物２３０の領域２３１にドーパントを添加することで、絶縁体２７４を設けず、誘電体として別途、絶縁体１３０を設けてもよい。絶縁体１３０は、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化窒化シリコンを単層または積層で用いればよい。
【０４２８】
導電体１２０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、図示しないが、導電体１２０は積層構造としても良く、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。
【０４２９】
＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図１８、および図１９に示す。例えば、図１７に示すトランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
【０４３０】
図１８（Ａ）は、図１７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１８（Ａ）においては、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該ＢＬは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタ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、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタの第１のゲートは、異なるＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第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。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
【０４３１】
図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０４とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０３とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６２０を抜き出した断面図である。図１８（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【０４３２】
セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
【０４３３】
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、いずれもＢＬ０２と電気的に接続している。
【０４３４】
上記構成より、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通化することで、セルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。
【０４３５】
図１９（Ａ）は、図１７に示すセル６００を、マトリクス状に配置した回路において、図１８（Ａ）と異なる形態を示す回路図である。図１９（Ａ）においては、行方向に配置されたセル６００が有するトランジスタの第１のゲートが共通のＷＬ（ＷＬ０１、ＷＬ０２、ＷＬ０３）と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第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。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
【０４３６】
図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０２とＢＬ０３に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０２とＢＬ０４に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６１０を抜き出した断面図である。図１９（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【０４３７】
セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
【０４３８】
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。
【０４３９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２０乃至図２５を用いて説明する。
【０４４０】
＜記憶装置１＞
図２０、図２１および図２２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２０および図２２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２１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。
【０４４１】
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。
【０４４２】
図２０、および図２２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。
【０４４３】
図２０、および図２２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。
【０４４４】
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）。
【０４４５】
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。
【０４４６】
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。
【０４４７】
＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図２０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。
【０４４８】
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。
【０４４９】
トランジスタ３００は、図２１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。
【０４５０】
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。
【０４５１】
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。
【０４５２】
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。
【０４５３】
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。
【０４５４】
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、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。
【０４５５】
なお、図２０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。
【０４５６】
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。
【０４５７】
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。
【０４５８】
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。
【０４５９】
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。
【０４６０】
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。
【０４６１】
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、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、１０×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２以下であればよい。
【０４６２】
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３２６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３２４の比誘電率は、絶縁体３２６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。
【０４６３】
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、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として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。
【０４６４】
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。
【０４６５】
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２０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。
【０４６６】
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。
【０４６７】
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。
【０４６８】
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２０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。
【０４６９】
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。
【０４７０】
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２０において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３７６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。
【０４７１】
なお、例えば、絶縁体３７０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３７６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３７０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。
【０４７２】
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２０において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、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３８６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３８６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。
【０４７３】
なお、例えば、絶縁体３８０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３８６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３８０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。
【０４７４】
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。
【０４７５】
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。
【０４７６】
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。
【０４７７】
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。
【０４７８】
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。
【０４７９】
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。
【０４８０】
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、当該絶縁膜に、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。
【０４８１】
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（導電体２０５）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。
【０４８２】
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、完全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。
【０４８３】
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２０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。
【０４８４】
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。
【０４８５】
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。
【０４８６】
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。
【０４８７】
また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、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。
【０４８８】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
【０４８９】
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。
【０４９０】
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。
【０４９１】
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、または配線として機能を有する。導電体１１０は、容量素子１００の電極として機能を有する。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。
【０４９２】
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、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。
【０４９３】
図２０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。
【０４９４】
また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体のとして、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。
【０４９５】
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。
【０４９６】
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。
【０４９７】
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。
【０４９８】
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。
【０４９９】
＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図２２を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
【０５００】
図２２は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図２２に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【０５０１】
図２２に示すように、トランジスタ２００は、＜記憶装置１の構成例＞に示した半導体装置に、先の実施の形態で説明したセル６００を設けたことが異なる。なお、図２２に示すトランジスタ２００の構成は、［半導体装置の変形例３］に示す構成にした。
【０５０２】
具体的には、図２２に示すように、容量素子１００と、トランジスタ２００の代わりに、容量素子１００の構成の一部と、トランジスタ２００の構成の一部とを共有するセル６００を有する。
【０５０３】
上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。従って、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
【０５０４】
＜記憶装置２＞
図２３に示す半導体装置は、トランジスタ４００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図２３を用いて説明する。
【０５０５】
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図２３（Ａ）に示す。また、図２３（Ａ）に示す配線１００４から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図２３（Ｂ）に示す。
【０５０６】
基板（図示せず）の上に形成されたトランジスタ２００およびトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流Ｉｃｕｔが小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。
【０５０７】
図２３に示すように、トランジスタ２００は、ゲートが配線１００４と、ソースおよびドレインの一方が配線１００３と、ソース及びドレインの他方が容量素子１００の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子１００の電極の他方が配線１００５と電気的に接続される。また、トランジスタ４００のドレインが配線１０１０と電気的に接続される。また、図２３（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００のボトムゲートと、トランジスタ４００のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線１００６、配線１００７、配線１００８、および配線１００９を介して電気的に接続される。
【０５０８】
ここで、配線１００４に電位を印加することで、トランジスタ２００のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ２００をオン状態として、配線１００３に電位を印加することで、トランジスタ２００を介して、容量素子１００に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ２００をオフ状態にすることで、容量素子１００に供給された電荷を保持することができる。また、配線１００５は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ２００と容量素子１００の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線１００５に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線１０１０に負の電位を印加することで、トランジスタ４００を介して、トランジスタ２００のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ２００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。
【０５０９】
先の実施の形態に示すように、トランジスタ２００は、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、Ｉｃｕｔを十分小さくすることができる。このため、配線１０１０に印加する負の電圧の絶対値を小さくすることができる。よって、過剰な降圧回路などを設けなくても、配線１０１０に負の電圧を印加することができる。
【０５１０】
なお、後述する実施例において、配線１００３に対応する電圧として３．３Ｖを選択しているが、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。当該電圧を、３．３Ｖ未満にしてもよいし、３．３Ｖより大きくしてもよい。例えば、本実施の形態に係る記憶装置で、多値データを記憶する構成にする場合、配線１００３に印加できる電圧を大きくすることにより、多値データの読み出しのマージンを大きくすることができる。
【０５１１】
トランジスタ４００のトップゲート及びボトムゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースとトランジスタ２００のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線１０１０によって、トランジスタ２００のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００のＩｃｕｔが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ２００より大きいので、この構成とすることにより、トランジスタ４００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。
【０５１２】
さらに、トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ２００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のＩｃｕｔを非常に小さくすることができる。つまり、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、容量素子１００に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。
【０５１３】
また、先の実施の形態に示すように、トランジスタ２００は、絶対値が小さい電圧ＶＢＧで、電圧Ｖｔｈを大きくし、Ｉｃｕｔを十分小さくすることができる。このため、トランジスタ４００に要求される耐圧性が比較的低いので、トランジスタ４００の設計の自由度を高くすることができる。
【０５１４】
なお、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００の接続関係は、図２３（Ａ）（Ｂ）に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。
【０５１５】
＜記憶装置２の構造＞
図２３（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図２３に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【０５１６】
本発明の一態様の記憶装置は、図２３に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、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。
【０５１７】
なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、および図２０、および図２２で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図２３に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【０５１８】
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５（導電体４０５ａ、および導電体４０５ｂ）と、導電体４６０と接する絶縁体４７０、および絶縁体４７２と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３（導電体４０３ａ、および導電体４０３ｂ）と、電気的に接続されている。
【０５１９】
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａと、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂと、酸化物２３０ｂと、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃは同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。絶縁体４５２は、絶縁体２５２と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。また、絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。また、絶縁体４７２は、絶縁体２７２と、同じ層である。
【０５２０】
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
【０５２１】
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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【０５２２】
＜記憶装置３＞
図２４に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図２４を用いて説明する。
【０５２３】
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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【０５２４】
図２４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。
【０５２５】
図２４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のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のバック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。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
【０５２６】
図２４に示す半導体装置は、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。
【０５２７】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線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、第３の配線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、第４の配線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）。
【０５２８】
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。
【０５２９】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線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第５の配線１００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線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、第５の配線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、第５の配線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、第２の配線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。
【０５３０】
＜記憶装置３の構造＞
【０５３１】
図２４は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図２４に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【０５３２】
本発明の一態様の記憶装置は、図２４に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【０５３３】
なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図２０乃至図２３で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図２４に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【０５３４】
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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【０５３５】
＜メモリセルアレイの構造＞
【０５３６】
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図２５に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
【０５３７】
なお、図２５に示す記憶装置は、図２０、および図２４に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のバックゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
【０５３８】
従って、図２５には、図２４に示すトランジスタ４００は省略する。図２５は、図２０、および図２４に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【０５３９】
また、図２４と、トランジスタ３００の構成が異なる。図２５に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦｉｎ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
【０５４０】
図２５に示す記憶装置では、メモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂが隣接して配置されている。メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂは、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有し、配線１００１、配線１００２、配線１００３、配線１００４、配線１００５、および配線１００６と電気的に接続される。また、メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子１００の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＳＮとする。なお、配線１００２は隣接するメモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂで共通の配線である。
【０５４１】
メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。
【０５４２】
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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【０５４３】
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。
【０５４４】
（実施の形態５）
本実施の形態では、図２６乃至図２９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。
【０５４５】
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。
【０５４６】
＜＜ＮＯＳＲＡＭ＞＞
図２６にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図２６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。
【０５４７】
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。
【０５４８】
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。
【０５４９】
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。
【０５５０】
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。
【０５５１】
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。
【０５５２】
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。
【０５５３】
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。
【０５５４】
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。
【０５５５】
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。
【０５５６】
＜メモリセル＞
図２７（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。
【０５５７】
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。
【０５５８】
図２７（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２７（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。
【０５５９】
図２７（Ｃ）−図２７（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図２７（Ｃ）−図２７（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２７（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。
【０５６０】
図２７（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。
【０５６１】
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。
【０５６２】
図２７（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。
【０５６３】
図２７（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。
【０５６４】
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。
【０５６５】
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。
【０５６６】
図２８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２８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。
【０５６７】
以下では、図２８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。
【０５６８】
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。
【０５６９】
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。
【０５７０】
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。
【０５７１】
ここで、図２９に、メモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂに対応する断面図を示す。メモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂは、図２２に示す記憶装置と同様の構造を有する。すなわち、容量素子Ｃ６３ａおよび容量素子Ｃ６３ｂは容量素子１００と同様の構造を有し、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａおよびＯＳトランジスタＭＯ６３ｂはトランジスタ２００と同様の構造を有し、トランジスタＭＮ６４ａおよびトランジスタＭＮ６４ｂはトランジスタ３００と同様の構造を有する。ただし、本実施の形態に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂでは、絶縁体２８０および導電体２４０ａの上に導電体２５６を配置した。また、図２２において絶縁体２７３の膜厚が薄くなっている部分を除去した構成にした。なお、図２９に示す構成で、図２２に示す構成と同じ符号が付されたものは、その記載を参酌することができる。
【０５７２】
メモリセル１６１５ａにおいて、導電体１２０は伸長して設けられてワード線ＲＷＬａとして機能し、導電体２６０は伸長して設けられてワード線ＷＷＬａとして機能し、導電体２０５は伸長して設けられて配線ＢＧＬａとして機能する。メモリセル１６１５ｂでも同様に、ワード線ＲＷＬｂ、ワード線ＷＷＬｂ、および配線ＢＧＬｂが設けられる。
【０５７３】
図２９に示す低抵抗領域３１４ｂは、トランジスタＭＮ６４ａのソース、およびトランジスタＭＮ６４ｂのドレインとして機能する。また、トランジスタＭＮ６４ａのドレインとして機能する低抵抗領域３１４ａは、導電体３２８および導電体３３０を介してビット線ＲＢＬと電気的に接続される。また、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、導電体３２８、および導電体３３０を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。
【０５７４】
また、導電体２５６は伸長して設けられてビット線ＷＢＬとして機能する。ここで、導電体２４０ａはワード線ＷＢＬのコンタクト部として機能し、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａとＯＳトランジスタＭＯ６３ｂで共通して用いられる。このように、メモリセル１６１５ａとメモリセル１６１５ｂで、ビット線ＷＢＬのコンタクト部を共有することにより、ビット線ＷＢＬのコンタクト部の数を削減し、メモリセル１６１５の上面視における占有面積を低減することができる。これにより、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、単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
【０５７５】
図２８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。
【０５７６】
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。
【０５７７】
図２８に示すメモリセルアレイ１６１０においては、複数のＯＳトランジスタＭＯ６３がビット線ＷＢＬに並列に接続される構成について示したが、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、図３０に示すように、複数のＯＳトランジスタＭＯ６３がビット線ＷＢＬに直列に接続される構成にしてもよい。なお、図３０に示す回路素子、配線などについては、図２８に係る記載を参酌すればよい。
【０５７８】
図３０に示すメモリセル１６１５において、ＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの一方は、隣接するメモリセルのＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの他方に接続される。つまり、ノードＳＮは、同じメモリセルのＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの一方として機能し、且つ隣接するメモリセルのＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの他方として機能する。直列に接続された複数のメモリセル１６１５の端のメモリセル１６１５において、ＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの他方は、ビット線ＷＢＬと電気的に接続される。
【０５７９】
ここで、図３１に、ビット線ＷＢＬに接続されたメモリセル１６１５、およびそれに隣接するメモリセル１６１５に対応する断面図を示す。図３１に示すように、図３０に示すメモリセルアレイ１６１０では、直列に接続される複数のＯＳトランジスタＭＯ６３が一つの島状の酸化物２３０に形成される。直列に接続される複数のＯＳトランジスタＭＯ６３の端の、ＯＳトランジスタＭＯ６３のソースおよびドレインの他方に、導電体２４０ａを介して、ビット線ＷＢＬとして機能する導電体２５６が接続される。なお、図２９に示す構成で、図２２に示す構成と同じ符号が付されたものは、その記載を参酌することができる。
【０５８０】
また、図３０に示すメモリセルアレイ１６１０の書き込み動作および読み出し動作は、基本的に図２８に示すメモリセルアレイ１６１０の書き込み動作および読み出し動作を参酌することができる。ただし、図３０に示すメモリセルアレイ１６１０において、各メモリセル１６１５のノードＳＮは、同じメモリセルのＯＳトランジスタＭＯ６３と、隣接するメモリセルのＯＳトランジスタＭＯ６３に接続されている。このため、どちらかのＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態になると、ノードＳＮに保持された電荷が抜けて、書き込んだデータが消えてしまう。
【０５８１】
よって、図３０に示すメモリセルアレイ１６１０の書き込み動作においては、まず、ビット線ＷＢＬから最も離れたメモリセル列で書き込み動作を行う。次に、データを書き込んだメモリセル列に隣接するメモリセル列で書き込み動作を行う。以下、ビット線ＷＢＬに接続されたメモリセル列まで順番に書き込み動作を行う。このように、ビット線ＷＢＬから最も離れたメモリセル列から、ビット線ＷＢＬに接続されたメモリセル列まで順番に書き込み動作を行うことで、書き込み済みのノードＳＮに接続されたＯＳトランジスタＭＯ６３を、オン状態にせずに、書き込み動作を行うことができる。これにより、図３０に示すメモリセルアレイ１６１０の書き込み動作中にデータが消えることを防ぐことができる。
【０５８２】
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。
【０５８３】
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。
【０５８４】
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。
【０５８５】
（実施の形態６）
本実施の形態では、図３２および図３３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。
【０５８６】
＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図３２にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図３２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。
【０５８７】
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。
【０５８８】
（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。
【０５８９】
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３３（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３３（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。
【０５９０】
図３３（Ｂ）にメモリセル１４４５の回路構成例を示す。メモリセル１４４５はトランジスタＭＷ１、容量素子ＣＳ１、端子Ｂ１、Ｂ２を有する。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。トランジスタＭＷ１のゲートはワード線に電気的に接続され、第１端子はビット線に電気的に接続され、第２端子は容量素子の第１端子に電気的に接続されている。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。
【０５９１】
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５に用いる場合、トランジスタＭＷ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＳ１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。
【０５９２】
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。
【０５９３】
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。
【０５９４】
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間を導通状態にする機能を有する。
【０５９５】
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（ＢＬＬ，ＢＬＲ）とも表す。
【０５９６】
（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。
【０５９７】
（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。
【０５９８】
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。
【０５９９】
（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。
【０６００】
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。
【０６０１】
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。
【０６０２】
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。
【０６０３】
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。
【０６０４】
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。
【０６０５】
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。
【０６０６】
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。
【０６０７】
（実施の形態７）
本実施の形態では、図３４から図３７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（フィールドブログラマブルブゲートアレイ）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。
【０６０８】
＜＜ＯＳ−ＦＰＧＡ＞＞
図３４（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図３４（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３１１１、ワードドライバ３１１２、データドライバ３１１３、プログラマブルエリア３１１５を有する。
【０６０９】
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３４（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図３４（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。
【０６１０】
図３５（Ａ）乃至図３５（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図３５（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。
【０６１１】
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。
【０６１２】
図３５（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。
【０６１３】
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。
【０６１４】
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。
【０６１５】
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。
【０６１６】
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。
【０６１７】
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。
【０６１８】
図３５（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。
【０６１９】
信号ｃｏｎｔｅｘ［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。
【０６２０】
信号ｃｏｎｔｅｘ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘ［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。
【０６２１】
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。
【０６２２】
マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレサの機能を併せ持つ。
【０６２３】
図３６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。
【０６２４】
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。
【０６２５】
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。
【０６２６】
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３７（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
【０６２７】
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。
【０６２８】
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。
【０６２９】
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。
【０６３０】
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。
【０６３１】
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。
【０６３２】
図３７（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
【０６３３】
（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。
【０６３４】
（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。
【０６３５】
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。
【０６３６】
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。
【０６３７】
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。
【０６３８】
（実施の形態８）
本実施の形態では、図３８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。
【０６３９】
図３８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。
【０６４０】
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。
【０６４１】
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。
【０６４２】
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。
【０６４３】
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。
【０６４４】
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。
【０６４５】
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。
【０６４６】
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。
【０６４７】
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。
【０６４８】
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。
【０６４９】
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。
【０６５０】
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。
【０６５１】
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。
【０６５２】
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。
【０６５３】
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。
【０６５４】
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。
【０６５５】
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。
【０６５６】
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）などの演算を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの演算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、これらプログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
【０６５７】
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。
【０６５８】
電源回路４０２７は、論理回路用の低電圧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。
【０６５９】
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。
【０６６０】
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。
【０６６１】
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。
【０６６２】
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。
【０６６３】
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。
【０６６４】
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。
【０６６５】
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。
【０６６６】
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。
【０６６７】
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。
【０６６８】
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。
【０６６９】
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りため、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。
【０６７０】
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。
【０６７１】
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。
【０６７２】
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。
【０６７３】
（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３９を用いて説明を行う。
【０６７４】
図３９（Ａ）は、図３８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。
【０６７５】
図３９（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。
【０６７６】
また図３９（Ｂ）は、図３８で説明したＡＩシステム４０４１を図３９（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。
【０６７７】
図３９（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。
【０６７８】
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。
【０６７９】
図３９（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。
【０６８０】
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。
【０６８１】
（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。
【０６８２】
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。
【０６８３】
図４０に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図４０に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。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、先の実施の形態で図１０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。
【０６８４】
図４０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、パケージの態様はこれに限定されない。
【０６８５】
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。
【０６８６】
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。
【０６８７】
（実施の形態１１）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図４１に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
【０６８８】
図４１（Ａ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。
【０６８９】
図４１（Ｂ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１に、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。
【０６９０】
図４１（Ｃ）に示すノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。
【０６９１】
図４１（Ｄ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。
【０６９２】
図４１（Ｅ）にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末２９５０は、筐体２９５１、および表示部２９５２等を有する。また、情報端末２９５０、筐体２９５１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部２９５２は、曲面を有する筐体２９５１に支持されている。表示部２９５２には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末２９５０を提供することができる。
【０６９３】
図４１（Ｆ）に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末２９６０は、筐体２９６１、表示部２９６２、バンド２９６３、バックル２９６４、操作スイッチ２９６５、入出力端子２９６６などを備える。また、情報端末２９６０、筐体２９６１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９６０は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
【０６９４】
表示部２９６２の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部２９６２はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部２９６２に表示されたアイコン２９６７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ２９６５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末２９６０に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ２９６５の機能を設定することもできる。
【０６９５】
また、情報端末２９６０は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末２９６０は入出力端子２９６６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子２９６６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子２９６６を介さずに無線給電により行ってもよい。
【０６９６】
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
【０６９７】
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例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。
【実施例】
【０６９８】
本実施例では、上記実施の形態に示すトランジスタ２００と同様の構成を有する試料２００Ａを作製し、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの実測値と予測値を比較した結果について説明する。本実施例に係る試料２００Ａは、上記実施の形態で図３に示すトランジスタ２００と同様の構成にした。
【０６９９】
図４２（Ａ）に示すように、試料２００Ａ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（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）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上に配置された絶縁体２５２と、絶縁体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の上に配置された絶縁体２７１と、少なくとも絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、酸化物２３０、および絶縁体２７２と接して配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０７００】
絶縁体２１４は、ＲＦスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムである。絶縁体２１６は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した酸化窒化シリコンである。導電体２０５ａは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が４０ｎｍの窒化タンタルである。導電体２０５ｂは、ＡＬＤ法を用いて成膜した膜厚が５ｎｍの窒化チタンと、その上にメタルＣＶＤ法を用いて成膜されたタングステンである。
【０７０１】
絶縁体２２０は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した膜厚１０ｎｍの酸化窒化シリコンである。絶縁体２２２は、ＡＬＤ法を用いて成膜した膜厚２０ｎｍの酸化ハフニウムである。絶縁体２２４は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した膜厚３０ｎｍの酸化窒化シリコンである。
【０７０２】
酸化物２３０ａは、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。なお、酸化物２３０ａの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０７０３】
酸化物２３０ｂは、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。なお、酸化物２３０ｂの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガス４０ｓｃｃｍおよび酸素ガス５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０７０４】
酸化物２３０ｃは、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａと同様の条件で成膜した。
【０７０５】
絶縁体２５０は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンである。絶縁体２１４は、ＲＦスパッタリング法を用いて成膜した膜厚が５ｎｍの酸化アルミニウムである。
【０７０６】
導電体２６０ａは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が１０ｎｍの窒化チタンである。導電体２６０ｂは、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚が３０ｎｍのタングステンである。
【０７０７】
絶縁体２７０は、ＡＬＤ法を用いて成膜した膜厚７ｎｍの酸化アルミニウムである。絶縁体２７１は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した酸化窒化シリコンである。絶縁体２７２は、ＡＬＤ法を用いて成膜した膜厚５ｎｍの酸化アルミニウムである。絶縁体２７４は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した膜厚が２０ｎｍの酸化窒化シリコンである。
【０７０８】
上記のような構成を有する試料２００Ａにおいて、電圧ＶＢＧを０Ｖ、−３Ｖ、−６Ｖとしたときの電気特性を測定し、電圧Ｖｔｈを算出した。試料２００Ａの電気特性の測定は、ドレイン電圧Ｖｄを＋３．３Ｖとし、トップゲート電圧Ｖｇを−３．３Ｖから＋３．３Ｖまで０．１Ｖごとにスイープさせながら行った。なお、電圧Ｖｔｈの算出は、トップゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を横軸にし、ドレイン電流Ｉｄ［Ａ］の対数を縦軸にプロットしたＶｇ−Ｉｄ曲線において、曲線上の傾きが最大である点における接線と、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の直線との交点のトップゲート電圧Ｖｇとした。
【０７０９】
図４２（Ｂ）に試料２００Ａの電圧ＶＢＧに対する電圧Ｖｔｈの測定結果を示す。図４２（Ｂ）に示すグラフは、縦軸に電圧Ｖｔｈのシフト量［Ｖ］をとり、横軸に電圧ＶＢＧ［Ｖ］をとる。ただし、横軸は正負の向きを逆にしている。なお、電圧Ｖｔｈのシフト量とは、ＶＢＧ＝０Ｖのときの電圧Ｖｔｈを０Ｖとしたときの、ＶＢＧ＝−３Ｖ、−６Ｖとしたときの電圧Ｖｔｈの差分である。
【０７１０】
図４２（Ｂ）に示すように、試料２００Ａの電圧Ｖｔｈのプロットは、一定の傾き０．２６を有する直線で近似される。よって、試料２００Ａにおいて、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの実測値が０．２６となった。これは、上述の式（８）および式（９）を満たしている。このことから、本実施例に係る試料２００Ａの構成で、電圧ＶＢＧによる電圧Ｖｔｈの制御性が良好であることが示された。
【０７１１】
次に、図４３に示す試料２００Ａのモデルから、式（１７）を用いて−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの予測値を算出した。図４３は、試料２００Ａのトップゲート−ボトムゲート間のモデルを示す模式図である。
【０７１２】
図４３に示すように、試料２００Ａでは、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面に領域Ｐが形成されるとする。よって、導電体２０５と領域Ｐの間のＥＯＴＢ、および導電体２６０と領域Ｐの間のＥＯＴＴから、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの予測値を求めることができる。
【０７１３】
ＥＯＴＢは、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの膜厚および比誘電率から算出できる。また、ＥＯＴＴは、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および絶縁体２５２の膜厚および比誘電率から算出できる。
【０７１４】
図４３に示す構成の比誘電率は、絶縁体２２０、絶縁体２２４、および絶縁体２５０に用いられる酸化窒化シリコンの比誘電率が４．１、絶縁体２２２に用いられる酸化ハフニウムが１６．４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃに用いられるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が１５、絶縁体２５２に用いられる酸化アルミニウムが８．３となる。
【０７１５】
以上より、ＥＯＴＢが５０．５ｎｍとなり、ＥＯＴＴが１３．８ｎｍとなった。なお、本実施例において、ＥＯＴＢおよびＥＯＴＴは、酸化窒化シリコン等価な電気的膜厚に換算した。これらのＥＯＴＢおよびＥＯＴＴの値を、式（１７）に用いると、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの予測値は０．２７となった。このように、試料２００Ａにおいて、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの予測値と実測値は、よい一致が見られた。
【０７１６】
このことから、本実施例に係る試料２００Ａの構成は、電圧ＶＢＧによる電圧Ｖｔｈの制御性が良好であり、−∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧの実測値を予測可能であることが示された。
【符号の説明】
【０７１７】
１０    トランジスタ
２１    導電体
２２    絶縁体
２３    酸化物
２３ａ    酸化物
２３ｂ    酸化物
２３ｃ    酸化物
２４    絶縁体
２５    絶縁体
２６    導電体
１００    容量素子
１００ａ    容量素子
１００ｂ    容量素子
１１０    導電体
１１２    導電体
１２０    導電体
１３０    絶縁体
１５０    絶縁体
２００    トランジスタ
２００ａ    トランジスタ
２００Ａ    試料
２００ｂ    トランジスタ
２０３    導電体
２０３ａ    導電体
２０３ｂ    導電体
２０５    導電体
２０５ａ    導電体
２０５ｂ    導電体
２０５Ｂ    導電膜
２０７    導電体
２０７ａ    導電体
２０７ｂ    導電体
２１０    絶縁体
２１２    絶縁体
２１４    絶縁体
２１６    絶縁体
２１８    導電体
２２０    絶縁体
２２２    絶縁体
２２４    絶縁体
２２４Ａ    絶縁体
２３０    酸化物
２３０ａ    酸化物
２３０Ａ    酸化膜
２３０ｂ    酸化物
２３０Ｂ    酸化膜
２３０ｃ    酸化物
２３０Ｃ    酸化膜
２３１    領域
２３１ａ    領域
２３１ｂ    領域
２３２    領域
２３２ａ    領域
２３２ｂ    領域
２３４    領域
２３９    領域
２４０    導電体
２４０ａ    導電体
２４０ｂ    導電体
２４０ｃ    導電体
２４０ｄ    導電体
２４６    導電体
２４８    導電体
２５０    絶縁体
２５０Ａ    絶縁膜
２５２    絶縁体
２５２Ａ    絶縁膜
２５６    導電体
２６０    導電体
２６０ａ    導電体
２６０Ａ    導電膜
２６０ｂ    導電体
２６０Ｂ    導電膜
２７０    絶縁体
２７０Ａ    絶縁膜
２７１    絶縁体
２７１Ａ    絶縁膜
２７２    絶縁体
２７２Ａ    絶縁膜
２７３    絶縁体
２７４    絶縁体
２８０    絶縁体
２８２    絶縁体
２８６    絶縁体
３００    トランジスタ
３１１    基板
３１３    半導体領域
３１４ａ    低抵抗領域
３１４ｂ    低抵抗領域
３１５    絶縁体
３１６    導電体
３２０    絶縁体
３２２    絶縁体
３２４    絶縁体
３２６    絶縁体
３２８    導電体
３３０    導電体
３５０    絶縁体
３５２    絶縁体
３５４    絶縁体
３５６    導電体
３６０    絶縁体
３６２    絶縁体
３６４    絶縁体
３６６    導電体
３７０    絶縁体
３７２    絶縁体
３７４    絶縁体
３７６    導電体
３８０    絶縁体
３８２    絶縁体
３８４    絶縁体
３８６    導電体
４００    トランジスタ
４０３    導電体
４０３ａ    導電体
４０３ｂ    導電体
４０５    導電体
４０５ａ    導電体
４０５ｂ    導電体
４３０ｃ    酸化物
４３１ａ    酸化物
４３１ｂ    酸化物
４３２ａ    酸化物
４３２ｂ    酸化物
４５０    絶縁体
４５２    絶縁体
４６０    導電体
４６０ａ    導電体
４６０ｂ    導電体
４７０    絶縁体
４７２    絶縁体
６００    セル
６００ａ    セル
６００ｂ    セル
６１０    回路
６２０    回路
６５０ａ    メモリセル
６５０ｂ    メモリセル
１００１    配線
１００２    配線
１００３    配線
１００４    配線
１００５    配線
１００６    配線
１００７    配線
１００８    配線
１００９    配線
１０１０    配線
１４００    ＤＯＳＲＡＭ
１４０５    コントローラ
１４１０    行回路
１４１１    デコーダ
１４１２    ワード線ドライバ回路
１４１３    列セレクタ
１４１４    センスアンプドライバ回路
１４１５    列回路
１４１６    グローバルセンスアンプアレイ
１４１７    入出力回路
１４２０    ＭＣ−ＳＡアレイ
１４２２    メモリセルアレイ
１４２３    センスアンプアレイ
１４２５    ローカルメモリセルアレイ
１４２６    ローカルセンスアンプアレイ
１４４４    スイッチアレイ
１４４５    メモリセル
１４４６    センスアンプ
１４４７    グローバルセンスアンプ
１６００    ＮＯＳＲＡＭ
１６１０    メモリセルアレイ
１６１１    メモリセル
１６１２    メモリセル
１６１３    メモリセル
１６１４    メモリセル
１６１５    メモリセル
１６１５ａ    メモリセル
１６１５ｂ    メモリセル
１６４０    コントローラ
１６５０    行ドライバ
１６５１    行デコーダ
１６５２    ワード線ドライバ
１６６０    列ドライバ
１６６１    列デコーダ
１６６２    ドライバ
１６６３    ＤＡＣ
１６７０    出力ドライバ
１６７１    セレクタ
１６７２    ＡＤＣ
１６７３    出力バッファ
２０００    ＣＤＭＡ
２９１０    情報端末
２９１１    筐体
２９１２    表示部
２９１３    カメラ
２９１４    スピーカ部
２９１５    操作スイッチ
２９１６    外部接続部
２９１７    マイク
２９２０    ノート型パーソナルコンピュータ
２９２１    筐体
２９２２    表示部
２９２３    キーボード
２９２４    ポインティングデバイス
２９４０    ビデオカメラ
２９４１    筐体
２９４２    筐体
２９４３    表示部
２９４４    操作スイッチ
２９４５    レンズ
２９４６    接続部
２９５０    情報端末
２９５１    筐体
２９５２    表示部
２９６０    情報端末
２９６１    筐体
２９６２    表示部
２９６３    バンド
２９６４    バックル
２９６５    操作スイッチ
２９６６    入出力端子
２９６７    アイコン
２９８０    自動車
２９８１    車体
２９８２    車輪
２９８３    ダッシュボード
２９８４    ライト
３１１０    ＯＳ−ＦＰＧＡ
３１１１    コントローラ
３１１２    ワードドライバ
３１１３    データドライバ
３１１５    プログラマブルエリア
３１１７    ＩＯＢ
３１１９    コア
３１２０    ＬＡＢ
３１２１    ＰＬＥ
３１２３    ブロック
３１２４    レジスタブロック
３１２５    セレクタ
３１２６    ＣＭ
３１２７    パワースイッチ
３１２８    ＣＭ
３１３０    ＳＡＢ
３１３１    ＳＢ
３１３３    ＰＲＳ
３１３５    ＣＭ
３１３７    メモリ回路
３１３７Ｂ    メモリ回路
３１４０    ＯＳ−ＦＦ
３１４１    ＦＦ
３１４２    シャドウレジスタ
３１４３    メモリ回路
３１４３Ｂ    メモリ回路
３１８８    インバータ回路
３１８９    インバータ回路
４０１０    演算部
４０１１    アナログ演算回路
４０１２    ＤＯＳＲＡＭ
４０１３    ＮＯＳＲＡＭ
４０１４    ＦＰＧＡ
４０２０    制御部
４０２１    ＣＰＵ
４０２２    ＧＰＵ
４０２３    ＰＬＬ
４０２５    ＰＲＯＭ
４０２６    メモリコントローラ
４０２７    電源回路
４０２８    ＰＭＵ
４０３０    入出力部
４０３１    外部記憶制御回路
４０３２    音声コーデック
４０３３    映像コーデック
４０３４    汎用入出力モジュール
４０３５    通信モジュール
４０４１    ＡＩシステム
４０４１＿ｎ    ＡＩシステム
４０４１＿１    ＡＩシステム
４０４１Ａ    ＡＩシステム
４０４１Ｂ    ＡＩシステム
４０９８    バス線
４０９９    ネットワーク
７０００    ＡＩシステムＩＣ
７００１    リード
７００３    回路部
７０３１    Ｓｉトランジスタ層
７０３２    配線層
７０３３    ＯＳトランジスタ層
【図１】
2018181890.tif 000027
【図２】
2018181890.tif 000028
【図３】
2018181890.tif 000029
【図４】
2018181890.tif 000030
【図５】
2018181890.tif 000031
【図６】
2018181890.tif 000032
【図７】
2018181890.tif 000033
【図８】
2018181890.tif 000034
【図９】
2018181890.tif 000035
【図１０】
2018181890.tif 000036
【図１１】
2018181890.tif 000037
【図１２】
2018181890.tif 000038
【図１３】
2018181890.tif 000039
【図１４】
2018181890.tif 000040
【図１５】
2018181890.tif 000041
【図１６】
2018181890.tif 000042
【図１７】
2018181890.tif 000043
【図１８】
2018181890.tif 000044
【図１９】
2018181890.tif 000045
【図２０】
2018181890.tif 000046
【図２１】
2018181890.tif 000047
【図２２】
2018181890.tif 000048
【図２３】
2018181890.tif 000049
【図２４】
2018181890.tif 000050
【図２５】
2018181890.tif 000051
【図２６】
2018181890.tif 000052
【図２７】
2018181890.tif 000053
【図２８】
2018181890.tif 000054
【図２９】
2018181890.tif 000055
【図３０】
2018181890.tif 000056
【図３１】
2018181890.tif 000057
【図３２】
2018181890.tif 000058
【図３３】
2018181890.tif 000059
【図３４】
2018181890.tif 000060
【図３５】
2018181890.tif 000061
【図３６】
2018181890.tif 000062
【図３７】
2018181890.tif 000063
【図３８】
2018181890.tif 000064
【図３９】
2018181890.tif 000065
【図４０】
2018181890.tif 000066
【図４１】
2018181890.tif 000067
【図４２】
2018181890.tif 000068
【図４３】
2018181890.tif 000069