(57)【要約】【課題】複数のＧＰＵを有する情報処理システムにおいて、ＧＰＵ同士がデータを交換している間も、他のデバイスがバスラインを使用できるシステムを提供する。【解決手段】情報処理システムは、ＣＰＵ、メインメモリ、複数のＧＰＵ、第一のバスライン、第二のバスライン、第一の制御装置、第二の制御装置を有する。ＣＰＵ、メインメモリ、複数のＧＰＵ、第一の制御装置は、第一のバスラインと電気的に接続され、ＣＰＵ、複数のＧＰＵ、第二の制御装置は、第二のバスラインと電気的に接続される。第一の制御装置は第一のバスラインを、第二の制御装置は第二のバスラインを、それぞれ制御する機能を有する。ＧＰＵ同士でデータを交換する場合、第二のバスラインを使用し、ＧＰＵ同士がデータを交換している間も、その他のデバイスは第一のバスラインを使用して処理を行うことができる。【選択図】図１
2019046384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主演算装置と、
第１及び第２の演算装置と、
第１及び第２のバスラインと、を有し、
前記主演算装置と、前記第１及び第２の演算装置は、前記第１及び第２のバスラインの双方と電気的に接続され、
前記第１の演算装置は、前記第２のバスラインを介して、前記第２の演算装置に情報を供給する第１工程と、
前記主演算装置は、前記第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給される、第２工程と、を有し、
前記第１工程の期間中に、前記第２工程を行うことができることを特徴とする、情報処理システム。
【請求項２】
主演算装置と、
第１及び第２の演算装置と、
第１及び第２の制御装置と、を有し、
前記主演算装置が前記第２の制御装置に動作信号を供給する第１工程と、
前記第２の制御装置が前記第１及び第２の演算装置に動作信号を供給する第２工程と、
前記第１の演算装置が有する情報を、前記第２の演算装置に転送する第３工程と、を有し、
前記第２工程及び前記第３工程の期間中に、前記主演算装置は、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする、情報処理システム。
【請求項３】
請求項２において、
第１及び第２のバスラインを有し、
前記第３工程は、前記第２のバスラインを介して行われ、
前記第２工程及び前記第３工程の期間中に、前記主演算装置は、前記第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする、情報処理システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記第１の演算装置または前記第２の演算装置の少なくとも一方は、
並列演算を行う機能を有することを特徴とする、情報処理システム。
【請求項５】
主演算装置と、
記憶装置と、
第１及び第２の演算装置と、
第１及び第２の制御装置と、を有し、
前記主演算装置が前記第２の制御装置に動作信号を供給する第１工程と、
前記第２の制御装置が前記第１及び第２の演算装置に動作信号を供給する第２工程と、
前記第１の演算装置が有する情報を、前記記憶装置に転送する第３工程と、
前記記憶装置が有する情報を、前記第２の演算装置に転送する第４工程と、を有し、
前記第２工程乃至前記第４工程の期間中に、前記主演算装置は、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする、情報処理システム。
【請求項６】
請求項５において、
第１及び第２のバスラインを有し、
前記第３工程及び前記第４工程は、前記第２のバスラインを介して行われ、
前記第２工程乃至前記第４工程の期間中に、前記主演算装置は、前記第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする、情報処理システム。
【請求項７】
請求項５または請求項６において、
前記第１の演算装置または前記第２の演算装置の少なくとも一方は、
並列演算を行う機能を有することを特徴とする、情報処理システム。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか一項において、
前記記憶装置は、電源供給が停止しても前記情報を保持する機能を有する、情報処理システム。
【請求項９】
請求項５乃至請求項８のいずれか一項において、
前記記憶装置は、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを有することを特徴とする、情報処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一形態は、情報処理システムおよび電子機器に関する。
【０００２】
なお、本発明の一形態は、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技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態は、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】
【０００３】
近年、パーソナルコンピュータ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）などの情報処理システムにおいて、演算装置にＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）のみならず、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を有するものが増えている。ＧＰＵは、単純な演算を大量に並列処理する能力にすぐれ、グラフィックス処理の他、科学技術計算、人工知能の演算等において、すぐれた演算性能を発揮する。
【０００４】
一般に、情報処理システムが有するＣＰＵやＧＰＵ、メインメモリ、および、その他のデバイスは、データを高速に伝送することができるバスラインと電気的に接続されている。前記バスラインを介して、情報処理システムが有するデバイスは、情報処理システムが有する他のデバイスと、データを交換することができる。例えば、代表的なバスラインとして、ＰＣＩ  Ｅｘｐｒｅｓｓ（ＰＣＩｅと表記する場合がある；ＰＣＩ  ＥｘｐｒｅｓｓおよびＰＣＩｅは、登録商標）が使われている。
【０００５】
また、前記バスラインを介してデータを交換する方法として、ＤＭＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ）転送と呼ばれる技術が用いられている。ＤＭＡ転送は、ＣＰＵ以外のデバイス同士がデータを交換する場合、ＣＰＵはＤＭＡＣ（ＤＭＡ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に指示を出すだけで、その後はＣＰＵを介さずにデータを転送することができる。ＤＭＡ転送は、データ転送中のＣＰＵの負荷を軽減できる技術である。
【０００６】
一方、チャネル形成領域が金属酸化物で形成されているトランジスタ（以下、「酸化物半導体トランジスタ」、「金属酸化物トランジスタ」、または「ｏｘトランジスタ」と呼ぶ場合がある）が知られている。ｏｘランジスタのオフ電流が極めて小さいという特性を利用して、パワーオフ状態でもデータを保持することが可能なバックアップ回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６―４２３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
情報処理システムが複数のＧＰＵを有している場合、例えば、第一のＧＰＵと第二のＧＰＵを有している場合、第一のＧＰＵと第二のＧＰＵは、前述のバスラインを介したＤＭＡ転送を行うことで、データを交換することができる。第一のＧＰＵから第二のＧＰＵへ、または、第二のＧＰＵから第一のＧＰＵへデータを転送している間、ＤＭＡ転送によりＣＰＵは別の処理を行うことができるが、バスラインは使用中であるため、第一のＧＰＵと第二のＧＰＵ以外のデバイスは、前述のバスラインを使用することができなかった。
【０００９】
本発明の一形態は、複数のＧＰＵを有する情報処理システムにおいて、ＧＰＵ同士がデータを交換している間も、他のデバイスがバスラインを使用できるシステムを提供することを課題の一つとする。
【００１０】
なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、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】
【００１１】
本発明の一形態は、主演算装置と、第１及び第２の演算装置と、第１及び第２のバスラインとを有する情報処理システムである。主演算装置と、第１及び第２の演算装置は、第１及び第２のバスラインの双方と電気的に接続され、第１の演算装置は、第２のバスラインを介して、第２の演算装置に情報を供給する第１工程と、主演算装置は、第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給される、第２工程とを有する。第１工程の期間中に、第２工程を行うことができることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一形態は、主演算装置と、第１及び第２の演算装置と、第１及び第２の制御装置とを有する情報処理システムである。主演算装置が第２の制御装置に動作信号を供給する第１工程と、第２の制御装置が第１及び第２の演算装置に動作信号を供給する第２工程と、第１の演算装置が有する情報を、第２の演算装置に転送する第３工程とを有する。第２工程及び第３工程の期間中に、主演算装置は、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする。
【００１３】
また、上記形態において、第１及び第２のバスラインを有し、第３工程は、第２のバスラインを介して行われる。第２工程及び第３工程の期間中に、主演算装置は、第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする。
【００１４】
また、上記形態において、第１の演算装置または第２の演算装置の少なくとも一方は、並列演算を行う機能を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一形態は、主演算装置と、記憶装置と、第１及び第２の演算装置と、第１及び第２の制御装置とを有する情報処理システムである。主演算装置が第２の制御装置に動作信号を供給する第１工程と、第２の制御装置が第１及び第２の演算装置に動作信号を供給する第２工程と、第１の演算装置が有する情報を、記憶装置に転送する第３工程と、記憶装置が有する情報を、第２の演算装置に転送する第４工程とを有する。第２工程乃至第４工程の期間中に、主演算装置は、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする。
【００１６】
また、上記形態において、第１及び第２のバスラインを有し、第３工程及び第４工程は、第２のバスラインを介して行われる。第２工程乃至第４工程の期間中に、主演算装置は、第１のバスラインを介して、情報を供給する、または供給されることができることを特徴とする。
【００１７】
また、上記形態において、第１の演算装置または第２の演算装置の少なくとも一方は、並列演算を行う機能を有することを特徴とする。
【００１８】
また、上記形態において、記憶装置は、電源供給が停止しても情報を保持する機能を有する。
【００１９】
また、上記形態において、記憶装置は、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一形態により、複数のＧＰＵを有する情報処理システムにおいて、ＧＰＵ同士がデータを交換している間も、他のデバイスがバスラインを使用できるシステムを提供することができる。
【００２１】
なお、本発明の一形態の効果は、上記列挙した効果に限定されない。また、上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書または図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一形態は、上記列挙した効果、および他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一形態は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】情報処理システムの構成例を示すブロック図。
【図２】情報処理システムの構成例を示すブロック図。
【図３】情報処理システムの構成例を示すブロック図。
【図４】記憶装置の構成例を示す図。
【図５】メモリセルアレイの構成例を示す図。
【図６】メモリセルアレイの構成例を示す図。
【図７】メモリセルの構成例を示す回路図。
【図８】メモリセルの構成例を示す回路図。
【図９】半導体装置の構成例を示す図。
【図１０】トランジスタの構成例を示す図。
【図１１】トランジスタの構成例を示す図。
【図１２】トランジスタの構成例を示す図。
【図１３】トランジスタの構成及びトランジスタの電気特性を示す図。
【図１４】電子機器及びシステムの構成例を示す図。
【図１５】電子機器の構成例を示す図。
【図１６】並列計算機、計算機、及びＰＣカードの構成例を示す図。
【図１７】システムの構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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形態で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。
【００２４】
また、以下に示される複数の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。また、１つの実施の形態の中に複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【００２５】
なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
【００２６】
また、図面等において、大きさ、層の厚さ、領域等は、明瞭化のため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。図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。
【００２７】
また、図面等において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２８】
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。
【００２９】
また、本明細書等において、「上」や「下」などの配置を示す用語は、構成要素の位置関係が、「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３０】
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、「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。
【００３１】
また、本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。
【００３２】
また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００３３】
また、本明細書等において、「電圧」とは、ある電位と基準の電位（例えば、グラウンド電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位差とは言い換えることができる。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３６】
また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。つまり、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流、という場合がある。
【００３７】
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソース電流をいう場合がある。また、オフ電流と同じ意味で、リーク電流という場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインの間に流れる電流を指す場合がある。
【００３８】
また、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ともいう）などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル形成領域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、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことができる。以下、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを、ｏｘトランジスタとも表記する。
【００３９】
また、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。金属酸化物の詳細については後述する。
【００４０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一形態に係わる情報処理システムについて説明する。
【００４１】
＜情報処理システムの構成例１＞
図１（Ａ）は、本発明の一形態に係わる情報処理システム１０の構成例を示すブロック図である。
【００４２】
情報処理システム１０は、ＣＰＵ１１、メインメモリ１２、ＧＰＵ１３、ＧＰＵ１４、バスライン１５、バスライン１６、ＤＭＡＣ１７、及びＤＭＡＣ１８等を有する。
【００４３】
なお、本明細書等において、バスライン１５及びバスライン１６以外の、情報処理システム１０の構成要素を、デバイスと呼ぶ場合がある。情報処理システム１０の構成要素をデバイスと呼ぶ場合、デバイスは、情報処理システム１０の構成要素のうち、任意の一つを指すものとする。
【００４４】
また、本明細書等において、ＣＰＵ１１、ＧＰＵ１３、及びＧＰＵ１４を演算装置、ＤＭＡＣ１７及びＤＭＡＣ１８を制御装置、メインメモリ１２を記憶装置と呼ぶ場合がある。特に、ＣＰＵ１１を主演算装置と呼ぶ場合がある。
【００４５】
ＣＰＵ１１は、各種演算やプログラムの実行など、汎用の処理を行う機能を有するプロセッサである。ＧＰＵ１３及びＧＰＵ１４は、並列演算を行う機能を有するプロセッサである。ＧＰＵ１３及びＧＰＵ１４は、例えば、グラフィックス処理における行列計算の並列処理、科学技術計算、ニューラルネットワークにおける積和演算の並列処理などを行うことができる。メインメモリ１２は、ＣＰＵ１１の処理に用いられるデータやプログラムなどを記憶する機能を有する。
【００４６】
ＤＭＡＣ１７はバスライン１５を制御する機能を有し、ＤＭＡＣ１８はバスライン１６を制御する機能を有する。例えば、ＤＭＡＣ１７は、ＣＰＵ１１から指示を受けると、バスライン１５に接続された特定のデバイスから別の特定のデバイスへデータを転送する機能を有し、データを転送している間、ＣＰＵ１１の負荷を軽減することができる。ＤＭＡＣ１８についても同様である。
【００４７】
バスライン１５は、バスライン１５に電気的に接続されたデバイスと、バスライン１５に電気的に接続された別のデバイスとの間で、データを高速に伝送する機能を有する。バスライン１６についても同様に、バスライン１６は、バスライン１６に電気的に接続されたデバイスと、バスライン１６に電気的に接続された別のデバイスとの間で、データを高速に伝送する機能を有する。
【００４８】
ここで、ＣＰＵ１１、メインメモリ１２、ＧＰＵ１３、ＧＰＵ１４、及びＤＭＡＣ１７は、バスライン１５と電気的に接続されている。また、ＣＰＵ１１、ＧＰＵ１３、ＧＰＵ１４、及びＤＭＡＣ１８は、バスライン１６と電気的に接続されている。
【００４９】
また、ＧＰＵ１３はメモリ２１を有し、ＧＰＵ１４はメモリ２２を有する。ＧＰＵ１３及びＧＰＵ１４は演算を大量に並列処理する能力を有し、メモリ２１及びメモリ２２は、前記演算に使用されるデータを供給、または、前記演算結果の保存に使用される。そのため、メモリ２１及びメモリ２２は、大量のデータを高速に入出力する機能を有すると好ましい。
【００５０】
＜情報処理システム内のデータ転送１＞
情報処理システム１０の動作例について説明する。
【００５１】
例えば、メインメモリ１２からＧＰＵ１４へデータを転送する場合、ＣＰＵ１１はＤＭＡＣ１７に指示を出し（図１（Ｂ）、矢印３１参照）、ＤＭＡＣ１７は、メインメモリ１２及びＧＰＵ１４に指示を出す（図１（Ｂ）、矢印３２及び矢印３３参照）。そして、バスライン１５を介して、メインメモリ１２からＧＰＵ１４へデータが転送される（図１（Ｃ）、矢印３４参照）。
【００５２】
この場合、ＤＭＡＣ１７がバスライン１５を制御しているため、ＣＰＵ１１は、ＤＭＡＣ１７に指示を出した後は別の処理を行うことができる。
【００５３】
また、例えば、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送する場合、ＣＰＵ１１はＤＭＡＣ１８に指示を出し（図２（Ａ）、矢印３５参照）、ＤＭＡＣ１８は、ＧＰＵ１３及びＧＰＵ１４に指示を出す（図２（Ａ）、矢印３６及び矢印３７参照）。そして、バスライン１６を介して、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータが転送される（図２（Ｂ）、矢印３８参照）。
【００５４】
この場合、バスライン１５を介して、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送することも可能であるが、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送している間、バスライン１５は他のデータ転送を行えなくなるため、バスライン１６を使用する。そして、ＤＭＡＣ１８がバスライン１６を制御しているため、ＣＰＵ１１は、ＤＭＡＣ１８に指示を出した後は別の処理を行うことができる。また、バスライン１５も別のデータ転送を行うことができる。
【００５５】
このように、バスライン１６を有することで、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送している間も、情報処理システム１０は、ＣＰＵ１１及びバスライン１５を使って別の処理を行うことができる。
【００５６】
＜情報処理システムの構成例２＞
前述した情報処理システム１０の別の構成例を、図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）は、本発明の一形態に係わる情報処理システム４０の構成例を示すブロック図である。
【００５７】
図３（Ａ）に示す情報処理システム４０は、図１（Ａ）に示す情報処理システム１０の構成要素に加えて、メモリ２３を有する。なお、本明細書等において、メモリ２３を記憶装置と呼ぶ場合がある。
【００５８】
メモリ２３は、バスライン１６と電気的に接続されている。メモリ２３の具体的な構成例は、実施の形態２において説明し、ここでは情報処理システム４０の動作例について説明する。
【００５９】
＜情報処理システム内のデータ転送２＞
メインメモリ１２からＧＰＵ１４へデータを転送する場合等、バスライン１５を使ったデータ転送においては、前述した、情報処理システム１０の動作例と同様のため、説明を援用する。ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送する場合等、バスライン１６を使ったデータ転送について説明する。
【００６０】
情報処理システム４０において、ＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータを転送する場合、ＣＰＵ１１はＤＭＡＣ１８に指示を出し（図３（Ｂ）、矢印４１参照）、ＤＭＡＣ１８は、ＧＰＵ１３及びＧＰＵ１４に指示を出す（図３（Ｂ）、矢印４２及び矢印４３参照）。
【００６１】
ここで、ＧＰＵ１３は、バスライン１６を介してＧＰＵ１４へデータを転送しようとするが、ＧＰＵ１４が別の処理をおこなっている、または、ＧＰＵ１４のメモリ２２に空きがない場合等、すぐにＧＰＵ１３からＧＰＵ１４へデータ転送できない場合、ＧＰＵ１３は、バスライン１６を介してメモリ２３へデータを転送する（図３（Ｃ）、矢印４４参照）。そして、ＧＰＵ１４がデータを受け入れることが可能になると、メモリ２３からＧＰＵ１４へデータが転送される（図３（Ｃ）、矢印４５参照）。
【００６２】
このように、ＧＰＵ１４がデータを受け入れることが不可能な場合においても、一度、ＧＰＵ１３からメモリ２３へデータを転送し、後ほど、メモリ２３からＧＰＵ１４へデータを転送することで、ＧＰＵ１３を転送処理から早く解放することができ、全体の処理をスムーズに進めることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００６４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したメモリ２３に適用可能な記憶装置の構成例について説明する。
【００６５】
＜記憶装置の構成例＞
図４に、記憶装置の構成例を示す。図４に示す記憶装置５００は、周辺回路５１１、およびメモリセルアレイ４００を有する。周辺回路５１１は、ローデコーダ５２１、ワード線ドライバ回路５２２、ビット線ドライバ回路５３０、出力回路５４０、コントロールロジック回路５６０を有する。
【００６６】
ビット線ドライバ回路５３０は、カラムデコーダ５３１、プリチャージ回路５３２、センスアンプ５３３、および書き込み回路５３４を有する。プリチャージ回路５３２は、配線ＳＬおよび配線ＣＬなどをプリチャージする機能を有する。センスアンプ５３３は、配線ＲＢＬから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、配線ＳＬ、配線ＣＬ、及び配線ＲＢＬは、メモリセルアレイ４００が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路５４０を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置５００の外部に出力される。
【００６７】
記憶装置５００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路５１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ４００用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。
【００６８】
また、記憶装置５００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ５２１およびカラムデコーダ５３１に入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路５３４に入力される。
【００６９】
コントロールロジック回路５６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ５２１、カラムデコーダ５３１の制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路５６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
【００７０】
なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
【００７１】
メモリセルアレイ４００だけでなく、周辺回路５１１もｏｘトランジスタで構成することが好ましい。そうすることで、周辺回路５１１とメモリセルアレイ４００を、同一の製造工程で作製することが可能になり、記憶装置５００の製造コストを低く抑えることができる。
【００７２】
＜メモリセルアレイの構成例＞
図５にメモリセルアレイ４００の詳細を記載する。メモリセルアレイ４００は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である）個、計ｍ×ｎ個のメモリセルＭＣを有し、メモリセルＭＣは行列状に配置されている。図５では、メモリセルＭＣのアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である）のアドレスに位置しているメモリセルを図示している。なお、メモリセルアレイ４００とワード線ドライバ回路５２２とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ４００とビット線ドライバ回路５３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
【００７３】
なお、メモリセルアレイ４００は、図５では、メモリセルＭＣを２次元に配置されている構成としているが、図６に示すように３次元で配置されている構成としてもよい。
【００７４】
＜メモリセルの構成例＞
図７及び図８に、上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
【００７５】
［ＤＯＳＲＡＭ］
図７（Ａ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、ｏｘトランジスタを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ。メモリセル４１０は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。
【００７６】
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
【００７７】
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある）を印加するのが好ましい。
【００７８】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
【００７９】
データの書き込み及び読み出しは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ１を導通状態にし、配線ＢＩＬと容量素子ＣＡの第１端子を接続することによって行われる。
【００８０】
また、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、メモリセル４１０に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。
【００８１】
例えば、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、図７（Ｂ）に示すようなメモリセルの構成でもよい。メモリセル４２０は、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成となっている。このような構成にすることによって、トランジスタＭ１のバックゲートに、トランジスタＭ１のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ１が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ１に流れる電流を増加することができる。
【００８２】
また、例えば、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。そのメモリセルの回路構成例を図７（Ｃ）に示す。メモリセル４３０は、メモリセル４１０のトランジスタＭ１からバックゲートを除いた構成となっている。なお、記憶装置５００にメモリセル４３０を適用することによって、トランジスタＭ１はバックゲートを有さないため、記憶装置５００の作製工程をメモリセル４１０、及びメモリセル４２０よりも短縮することができる。
【００８３】
なお、トランジスタＭ１のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したｏｘトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４１０、メモリセル４２０、メモリセル４３０に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
【００８４】
トランジスタＭ１としてｏｘトランジスタを適用することにより、ＤＯＳＲＡＭを構成することができる。
【００８５】
［ＮＯＳＲＡＭ］
図７（Ｄ）に、２つのトランジスタと１つの容量素子を有する、ゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、ｏｘトランジスタを用いたゲインセルによって構成される記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ。メモリセル４４０は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。
【００８６】
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
【００８７】
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある）を印加するのが好ましい。
【００８８】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
【００８９】
データの書き込みは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ２を導通状態にし、配線ＷＢＬと容量素子ＣＢの第１端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ２が導通状態のときに、配線ＷＢＬに記録する情報に対応する電位を印加し、容量素子ＣＢの第１端子、及びトランジスタＭ３のゲートに該電位を書き込む。その後、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ２を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＢの第１端子の電位、及びトランジスタＭ３のゲートの電位を保持する。
【００９０】
データの読み出しは、配線ＳＬに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタＭ３のソース−ドレイン間に流れる電流、及びトランジスタＭ３の第１端子の電位は、トランジスタＭ３のゲートの電位、及びトランジスタＭ３の第２端子の電位によって決まるので、トランジスタＭ３の第１端子に接続されている配線ＲＢＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＢの第１端子（又はトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、容量素子ＣＢの第１端子（又はトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。
【００９１】
また、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、メモリセル４４０に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。
【００９２】
例えば、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、図７（Ｅ）に示すようなメモリセルの構成でもよい。メモリセル４５０は、図７（Ｂ）のメモリセル４２０が有するトランジスタＭ１と同様に、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成となっている。このような構成にすることによって、トランジスタＭ２のバックゲートに、トランジスタＭ２のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ２が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ２に流れる電流を増加することができる。
【００９３】
また、例えば、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、バックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルであってもよい。そのメモリセルの回路構成例を図７（Ｆ）に示す。メモリセル４６０は、メモリセル４４０のトランジスタＭ２からバックゲートを除いた構成となっている。なお、記憶装置５００にメモリセル４６０を適用することによって、トランジスタＭ２はバックゲートを有さないため、記憶装置５００の作製工程をメモリセル４６０、及びメモリセル４５０よりも短縮することができる。
【００９４】
また、例えば、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。そのメモリセルの回路構成例を図７（Ｇ）に示す。メモリセル４７０は、メモリセル４４０の配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとして、トランジスタＭ２の第２端子、及びトランジスタＭ３の第１端子が、配線ＢＩＬと接続されている構成となっている。つまり、メモリセル４７０は、書き込みビット線と、読み出しビット線と、を１本の配線ＢＩＬとして動作する構成となっている。
【００９５】
なお、トランジスタＭ２、及び／又はトランジスタＭ３のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ２、及び／又はトランジスタＭ３としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ２、及び／又はトランジスタＭ３としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２、及び／又はトランジスタＭ３のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４４０、メモリセル４５０、メモリセル４６０、メモリセル４７０に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
【００９６】
トランジスタＭ２としてｏｘトランジスタを適用したメモリセル４４０、メモリセル４５０、メモリセル４６０、及びメモリセル４７０は、前述したＮＯＳＲＡＭの一態様である。
【００９７】
なお、トランジスタＭ３のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）とすることができる（以後、Ｓｉトランジスタと呼称する）。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、読み出しトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【００９８】
また、トランジスタＭ３としてｏｘトランジスタを用いた場合、メモリセルを単極性回路によって構成することができる。
【００９９】
また、図８（Ａ）に、３つのトランジスタと１つの容量素子を有する、ゲインセル型のメモリセルを示す。メモリセル４８０は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６と、容量素子ＣＣと、を有する。なお、トランジスタＭ４は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。
【０１００】
トランジスタＭ４の第１端子は、容量素子ＣＣの第１端子と接続され、トランジスタＭ４の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ４のゲートは、配線ＷＷＬと接続され、トランジスタＭ４のバックゲートは、配線ＢＧＬと電気的に接続されている。容量素子ＣＣの第２端子は、トランジスタＭ５の第１端子と、配線ＧＮＤＬと、に電気的に接続されている。トランジスタＭ５の第２端子は、トランジスタＭ６の第１端子と接続され、トランジスタＭ５のゲートは、容量素子ＣＣの第１端子と接続されている。トランジスタＭ６の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ６のゲートは配線ＲＷＬと接続されている。
【０１０１】
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＷＬは、書き込みワード線として機能し、配線ＲＷＬは、読み出しワード線として機能する。
【０１０２】
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ４のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ４のしきい値電圧を増減することができる。
【０１０３】
配線ＧＮＤＬは、低レベル電位を与える配線である。
【０１０４】
データの書き込みは、配線ＷＷＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ４を導通状態にし、配線ＢＩＬと容量素子ＣＣの第１端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ４が導通状態のときに、配線ＢＩＬに記録する情報に対応する電位を印加し、容量素子ＣＣの第１端子、及びトランジスタＭ５のゲートに該電位を書き込む。その後、配線ＷＷＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ４を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＣの第１端子の電位、及びトランジスタＭ５のゲートの電位を保持する。
【０１０５】
データの読み出しは、配線ＢＩＬに所定の電位をプリチャージして、その後配線ＢＩＬを電気的に浮遊状態にし、かつ配線ＲＷＬに高レベル電位を印加することによって行われる。配線ＲＷＬが高レベル電位となるので、トランジスタＭ６は導通状態となり、配線ＢＩＬとトランジスタＭ５の第２端子が電気的に接続状態となる。このとき、トランジスタＭ５の第２端子には、配線ＢＩＬの電位が印加されることになるが、容量素子ＣＣの第１端子（又はトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位に応じて、トランジスタＭ５の第２端子の電位、及び配線ＢＩＬの電位が変化する。ここで、配線ＢＩＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＣの第１端子（又はトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、容量素子ＣＣの第１端子（又はトランジスタＭ５のゲート）に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。
【０１０６】
また、上述した記憶装置５００が有するメモリセルは、メモリセル４４０に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、図７（Ｂ）に示すメモリセル４２０のトランジスタＭ１、及び図７（Ｅ）に示すメモリセル４５０のトランジスタＭ２のように、メモリセル４８０は、トランジスタＭ４のバックゲートを、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続する構成であってもよい（図示しない）。このような構成にすることによって、トランジスタＭ４のバックゲートに、トランジスタＭ４のゲートと同じ電位を印加することができるため、トランジスタＭ４が導通状態のときにおいて、トランジスタＭ４に流れる電流を増加することができる。また、例えば、図７（Ｃ）に示すメモリセル４３０のトランジスタＭ１、及び図７（Ｆ）に示すメモリセル４６０のトランジスタＭ２のように、メモリセル４８０は、トランジスタＭ４がバックゲートを有さない構成であってもよい。このような構成にすることによって、トランジスタＭ４はバックゲートを有さない分、記憶装置５００の作製工程を短縮することができる。
【０１０７】
なお、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６としてｏｘトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ４によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。
【０１０８】
トランジスタＭ４としてｏｘトランジスタを適用したメモリセル４８０は、前述したＮＯＳＲＡＭの一態様である。
【０１０９】
なお、本実施の形態で説明したトランジスタＭ５及びＭ６のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコンとすることができる。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、読み出しトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【０１１０】
また、トランジスタＭ５及びＭ６としてｏｘトランジスタを用いた場合、メモリセルを単極性回路によって構成することができる。
【０１１１】
［ｏｘＳＲＡＭ］
図８（Ｂ）に、ｏｘトランジスタを用いたＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の一例を示す。本明細書等において、ｏｘトランジスタを用いたＳＲＡＭを、ｏｘＳＲＡＭと呼ぶ。なお、図８（Ｂ）に示すメモリセル４９０は、バックアップ可能なＳＲＡＭのメモリセルである。
【０１１２】
メモリセル４９０は、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０と、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ４と、容量素子ＣＤ１と、容量素子ＣＤ２と、有する。なお、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。なお、トランジスタＭＳ１、及びトランジスタＭＳ２は、ｐチャネル型トランジスタであり、トランジスタＭＳ３、及びトランジスタＭＳ４は、ｎチャネル型トランジスタである。
【０１１３】
トランジスタＭ７の第１端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ７の第２端子は、トランジスタＭＳ１の第１端子と、トランジスタＭＳ３の第１端子と、トランジスタＭＳ２のゲートと、トランジスタＭＳ４のゲートと、トランジスタＭ１０の第１端子と、に接続されている。トランジスタＭ７のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ７のバックゲートは、配線ＢＧＬ１と接続されている。トランジスタＭ８の第１端子は、配線ＢＩＬＢと接続され、トランジスタＭ８の第２端子は、トランジスタＭＳ２の第１端子と、トランジスタＭＳ４の第１端子と、トランジスタＭＳ１のゲートと、トランジスタＭＳ３のゲートと、トランジスタＭ９の第１端子と、に接続されている。トランジスタＭ８のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ８のバックゲートは、配線ＢＧＬ２と接続されている。
【０１１４】
トランジスタＭＳ１の第２端子は、配線ＶＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ２の第２端子は、配線ＶＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ３の第２端子は、配線ＧＮＤＬと電気的に接続されている。トランジスタＭＳ４の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続されている。
【０１１５】
トランジスタＭ９の第２端子は、容量素子ＣＤ１の第１端子と接続され、トランジスタＭ９のゲートは、配線ＢＲＬと接続され、トランジスタＭ９のバックゲートは、配線ＢＧＬ３と接続されている。トランジスタＭ１０の第２端子は、容量素子ＣＤ２の第１端子と接続され、トランジスタＭ１０のゲートは、配線ＢＲＬと接続され、トランジスタＭ１０のバックゲートは、配線ＢＧＬ４と接続されている。
【０１１６】
容量素子ＣＤ１の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続され、容量素子ＣＤ２の第２端子は、配線ＧＮＤＬと接続されている。
【０１１７】
配線ＢＩＬ及び配線ＢＩＬＢは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能し、配線ＢＲＬは、トランジスタＭ９、及びトランジスタＭ１０の導通状態、非導通状態を制御する配線である。
【０１１８】
配線ＢＧＬ１乃至配線ＢＧＬ４は、それぞれトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬ１乃至配線ＢＧＬ４に任意の電位を印加することによって、それぞれトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のしきい値電圧を増減することができる。
【０１１９】
配線ＶＤＬは、高レベル電位を与える配線であり、配線ＧＮＤＬは、低レベル電位を与える配線である。
【０１２０】
データの書き込みは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、かつ配線ＢＲＬに高レベル電位を印加することによって行われる。具体的には、トランジスタＭ１０が導通状態のときに、配線ＢＩＬに記録する情報に対応する電位を印加し、トランジスタＭ１０の第２端子側に該電位を書き込む。
【０１２１】
ところで、メモリセル４９０は、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ２によってインバータループを構成しているので、トランジスタＭ８の第２端子側に、該電位に対応するデータ信号の反転信号が入力される。トランジスタＭ８が導通状態であるため、配線ＢＩＬＢには、配線ＢＩＬに印加されている電位、すなわち配線ＢＩＬに入力されている信号の反転信号が出力される。また、トランジスタＭ９、及びトランジスタＭ１０が導通状態であるため、トランジスタＭ７の第２端子の電位、及びトランジスタＭ８の第２端子の電位は、それぞれ容量素子ＣＤ２の第１端子、及び容量素子ＣＤ１の第１端子に保持される。その後、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加し、かつ配線ＢＲＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＤ１の第１端子、及び容量素子ＣＤ２の第１端子を保持する。
【０１２２】
データの読み出しは、あらかじめ配線ＢＩＬ及び配線ＢＩＬＢを所定の電位にプリチャージした後に、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、配線ＢＲＬに高レベル電位を印加することによって、容量素子ＣＤ１の第１端子の電位が、メモリセル４９０のインバータループによってリフレッシュされ、配線ＢＩＬＢに出力される。また、容量素子ＣＤ２の第１端子の電位が、メモリセル４９０のインバータループによってリフレッシュされ、配線ＢＩＬに出力される。配線ＢＩＬ及び配線ＢＩＬＢでは、それぞれプリチャージされた電位から容量素子ＣＤ２の第１端子の電位、及び容量素子ＣＤ１の第１端子の電位に変動するため、配線ＢＩＬ又は配線ＢＩＬＢの電位から、メモリセルに保持された電位を読み出すことができる。
【０１２３】
なお、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のチャネル形成領域には、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛のいずれか一を有する酸化物半導体を用いることができる。つまり、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてｏｘトランジスタを適用することができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体であることが好ましい。インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有しているので、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０のリーク電流を非常に低くすることができる。特に、書き込んだデータをトランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル４８０に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
【０１２４】
トランジスタＭ７乃至トランジスタＭ１０としてｏｘトランジスタを用いることにより、ｏｘＳＲＡＭを構成することができる。
【０１２５】
なお、トランジスタＭＳ１乃至トランジスタＭＳ４のチャネル形成領域には、シリコンを有することが好ましい。特に、該シリコンは、該シリコンは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、低温ポリシリコンとすることができる。Ｓｉトランジスタは、ｏｘトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合があるため、インバータに含まれるトランジスタとして、Ｓｉトランジスタを適用するのは好適といえる。
【０１２６】
本実施の形態で説明した記憶装置は、実施の形態１におけるメモリ２３などに用いることができる。また、本実施の形態で説明した記憶装置は、図１におけるメインメモリ１２、メモリ２１、メモリ２２に用いることもできる。
【０１２７】
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１２８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した情報処理システムに用いることが可能な半導体装置、及び当該半導体装置に用いることが可能なｏｘトランジスタの構成例について説明する。
【０１２９】
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、半導体回路、演算装置、制御装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。例えば、上記実施の形態で説明したＣＰＵ１１、メインメモリ１２、ＧＰＵ１３、ＧＰＵ１４、ＤＭＡＣ１７、及びＤＭＡＣ１８は、半導体装置によって構成することができる。そのため、ＣＰＵ１１、メインメモリ１２、ＧＰＵ１３、ＧＰＵ１４、ＤＭＡＣ１７、及びＤＭＡＣ１８を半導体装置と呼ぶこともできる。
【０１３０】
＜半導体装置の構成例＞
図９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を有している。図１０（Ａ）はトランジスタ２００のチャネル長方向の断面図であり、図１０（Ｂ）はトランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図であり、図１０（Ｃ）はトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
【０１３１】
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、これを半導体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、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。
【０１３２】
図９に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースおよびドレインの一方と接続され、配線１００２はトランジスタ３００のソースおよびドレインの他方と接続されている。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接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと接続されている。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の電極の一方と接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と接続されている。
【０１３３】
ここで、実施の形態２に示す記憶装置５００に、本実施の形態に示す半導体装置を用いる場合、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に対応する。また、配線ＳＬは、配線１００１に、配線ＲＢＬは、配線１００２に、配線ＷＢＬは、配線１００３に、配線ＷＯＬは、配線１００４に、配線ＣＡＬは、配線１００５に、配線ＢＧＬは、配線１００６に対応する。
【０１３４】
本発明の一態様の半導体装置は、図９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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
トランジスタ３００は、図１０（Ｃ）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。
【０１３７】
なお、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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、トランジスタのＶｔｈ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。
【０１４２】
なお、図９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。例えば、トランジスタ２００と同様に、トランジスタ３００に酸化物半導体を用いる構成にしてもよい。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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９において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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、および絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体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、および絶縁体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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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９において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体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、および絶縁体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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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９において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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半導体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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
【０１６４】
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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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、およびトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０３）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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。
【０１７１】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００は、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２０３と、絶縁体２１６と導電体２０３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２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上に、互いに離して配置された導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂ上に配置され、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体２８０と、開口の中に配置された導電体２６０と、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２８０と、導電体２６０と、の間に配置された絶縁体２５０と、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２８０と、絶縁体２５０と、の間に配置された酸化物２３０ｃと、を有する。また、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと、絶縁体２８０の間に絶縁体２４４が配置されることが好ましい。また、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、導電体２６０は、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁体２８０、導電体２６０、および絶縁体２５０の上に絶縁体２７４が配置されることが好ましい。
【０１７２】
なお、以下において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃをまとめて酸化物２３０という場合がある。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２という場合がある。
【０１７３】
なお、トランジスタ２００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図９、図１０（Ａ）、（Ｂ）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。
【０１７４】
ここで、導電体２６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体２６０は、絶縁体２８０の開口、および導電体２４２ａと導電体２４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体２６０、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの配置は、絶縁体２８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ２００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体２６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
【０１７５】
さらに、導電体２６０が、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体２６０は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体２６０と導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
【０１７６】
導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体２０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０３に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体２０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【０１７７】
導電体２０３は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。これにより、導電体２６０、および導電体２０３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２０３から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。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。
【０１７８】
また、導電体２０３は、導電体２１８と同様の構成であり、絶縁体２１４および絶縁体２１６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。
【０１７９】
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【０１８０】
ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体２０３が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
【０１８４】
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
【０１８５】
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
【０１８６】
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１８７】
また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体と絶縁体２２０とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【０１８８】
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
【０１８９】
トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【０１９０】
酸化物２３０においてチャネル形成領域にとして機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０１９１】
酸化物２３０は、酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【０１９２】
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
【０１９３】
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０１９４】
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【０１９５】
具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
【０１９６】
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。
【０１９７】
酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２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、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
【０１９８】
また、図１０（Ａ）に示すように、酸化物２３０の、導電体２４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２４３（領域２４３ａ、および領域２４３ｂ）が形成される場合がある。このとき、領域２４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域２４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域２４３ａと領域２４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
【０１９９】
酸化物２３０と接するように上記導電体２４２を設けることで、領域２４３の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域２４３に導電体２４２に含まれる金属と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域２４３のキャリア密度が増加し、領域２４３は、低抵抗領域となる。
【０２００】
絶縁体２４４は、導電体２４２を覆うように設けられ、導電体２４２の酸化を抑制する。このとき、絶縁体２４４は、酸化物２３０の側面を覆い、絶縁体２２４と接するように設けられてもよい。
【０２０１】
絶縁体２４４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。
【０２０２】
特に、絶縁体２４４として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体２４２が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体２４４は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
【０２０３】
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの内側（上面および側面）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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｃを通じて、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域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。
【０２０６】
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２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体２４４に用いることができる材料を用いればよい。
【０２０７】
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、図１０（Ａ）、（Ｂ）では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
【０２０８】
導電体２６０ａ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。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に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
【０２０９】
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２６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
【０２１０】
絶縁体２８０は、絶縁体２４４を介して、導電体２４２上に設けられる。絶縁体２８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、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、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０２１１】
絶縁体２８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体２８０を、酸化物２３０ｃと接して設けることで、絶縁体２８０中の酸素を、酸化物２３０ｃを通じて、酸化物２３０の領域２３４へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体２８０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。
【０２１２】
絶縁体２８０の開口は、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体２６０は、絶縁体２８０の開口、および導電体２４２ａと導電体２４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
【０２１３】
半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体２６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体２６０の膜厚を大きくすると、導電体２６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体２６０を絶縁体２８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体２６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体２６０を倒壊させることなく、形成することができる。
【０２１４】
絶縁体２７４は、絶縁体２８０の上面、導電体２６０の上面、および絶縁体２５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体２７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２５０および絶縁体２８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。
【０２１５】
例えば、絶縁体２７４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。
【０２１６】
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。
【０２１７】
また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１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。
【０２１８】
また、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２４４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。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、後述する導電体２４６および導電体２４８と同様の構成である。
【０２１９】
絶縁体２８１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。したがって、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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２４４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２８１、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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
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、絶縁体１３０とを有する。
【０２２５】
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、トランジスタ２００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体１１０は、容量素子１００の電極としての機能を有する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
【０２２６】
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。または、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。
【０２２７】
図９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。
【０２２８】
絶縁体１３０を介して、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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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ともに、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。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。
【０２３１】
＜トランジスタの構成例＞
図９及び図１０では、ゲートとしての機能を機能する導電体２６０が、絶縁体２８０の開口の内部に形成されている構成例について説明したが、ｏｘトランジスタの構成はこれに限られない。例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構成を用いることもできる。このようなトランジスタの構成例を、図１１、図１２に示す。
【０２３２】
図１１（Ａ）はトランジスタの上面図であり、図１１（Ｂ）はトランジスタの斜視図である。また、図１１（Ａ）におけるＸ１−Ｘ２の断面図を図１２（Ａ）に示し、Ｙ１−Ｙ２の断面図を図１２（Ｂ）に示す。
【０２３３】
図１１、図１２に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体ＢＧＥと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＢＧＩと、酸化物半導体Ｓと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＦＧＩと、フロントゲートとしての機能を有する導電体ＦＧＥと、配線としての機能を有する導電体ＷＥと、を有する。また、導電体ＰＥは、導電体ＷＥと、酸化物Ｓ、導電体ＢＧＥ、又は導電体ＦＧＥと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Ｓが、３層の酸化物Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３によって構成されている例を示している。
【０２３４】
＜トランジスタの電気特性＞
次に、ｏｘトランジスタの電気特性について説明する。以下では一例として、第１のゲート及び第２のゲートを有するトランジスタについて説明する。第１のゲート及び第２のゲートを有するトランジスタは、第１のゲートと第２のゲートに異なる電位を印加することで、閾値電圧を制御することができる。例えば、第２のゲートに負の電位を印加することにより、トランジスタの閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することができる。つまり、第２のゲートに負の電位を印加することにより、第１の電極に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【０２３５】
また、酸化物半導体は、水素などの不純物が添加されると、キャリア密度が増加する場合がある。例えば、酸化物半導体は、水素が添加されると、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、水素などの不純物が添加された酸化物半導体は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０２３６】
したがって、酸化物半導体を選択的に低抵抗化することができる。つまり、酸化物半導体に、キャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する半導体として機能する領域と、キャリア密度が高く、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域と、を設けることができる。
【０２３７】
ここで、第１のゲートと第２のゲートに異なる電位を印加する場合、酸化物半導体に設ける低抵抗領域、および高抵抗領域の構成が、トランジスタの電気特性に与える影響を評価する。
【０２３８】
［トランジスタ構造］
図１３（Ａ）および図１３（Ｃ）は、電気特性の評価に用いたトランジスタの断面図である。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｃ）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。
【０２３９】
図１３（Ａ）および図１３（Ｃ）に示すトランジスタは、第１のゲートとして機能する導電体ＦＧＥと、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体ＴＧＩと、第１のゲートの側面に設けられたサイドウォールとして機能する絶縁体ＳＷと、酸化物半導体Ｓと、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥと、第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体ＢＧＩと、を有する。絶縁体ＢＧＩは、導電体ＢＧＥと接する第１層、第１層上の第２層、第２層上の第３層、からなる３層構造とする。なお、第３層は酸化物半導体Ｓと接する。
【０２４０】
ここで、図１３（Ａ）に記載のトランジスタが有する酸化物半導体Ｓは、ｎ＋領域と、導電体ＦＧＥと重畳するｉ領域を有する。一方、図１３（Ｃ）に記載のトランジスタが有する酸化物半導体Ｓは、ｎ＋領域と、導電体ＦＧＥと重畳するｉ領域と、ｎ＋領域とｉ領域との間のｎ−領域と、を有する。
【０２４１】
なお、ｎ＋領域は、ソース領域またはドレイン領域として機能し、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、ｉ領域は、チャネル形成領域として機能し、ｎ＋領域よりもキャリア密度が低い高抵抗領域である。また、ｎ−領域は、ｎ＋領域よりもキャリア密度が低い、かつ、ｉ領域よりもキャリア密度が高い領域である。
【０２４２】
また、図示しないが、酸化物半導体Ｓのｎ＋領域は、ソースまたはドレインとして機能するＳ／Ｄ電極と接する構造である。
【０２４３】
［電気特性の評価結果］
図１３（Ａ）に示すトランジスタ、および図１３（Ｃ）に示すトランジスタにおいて、Ｉｄ−Ｖｇ特性を計算し、トランジスタの電気特性を評価した。
【０２４４】
ここで、トランジスタの電気特性の指標として、トランジスタのしきい値電圧（以下、Ｖｓｈともいう）の変化量（以下、ΔＶｓｈともいう）を用いた。なお、Ｖｓｈとは、Ｉｄ−Ｖｇ特性において、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の時のＶｇの値と定義する。
【０２４５】
なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性とは、トランジスタの第１のゲートとして機能する導電体ＦＧＥに印加する電位（以下、ゲート電位（Ｖｇ）ともいう）を、第１の値から第２の値まで変化させたときの、ソースとドレインとの間の電流（以下、ドレイン電流（Ｉｄ）ともいう）の変動特性である。
【０２４６】
ここでは、ソースとドレインとの間の電位（以下、ドレイン電位Ｖｄともいう）を＋０．１Ｖとし、ソースと、第１のゲートとして機能する導電体ＦＧＥとの間の電位を−１Ｖから＋４Ｖまで変化させたときのドレイン電流（Ｉｄ）の変動を評価した。
【０２４７】
また、計算は、Ｓｉｌｖａｃｏ社デバイスシミュレータＡＴＬＡＳを用いた。また、下表には、計算に用いたパラメータを示す。なお、Ｅｇはエネルギーギャップ、Ｎｃは伝導帯の実効状態密度、Ｎｖは価電子帯の実効状態密度を示す。
【０２４８】
【表１】
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【０２４９】
図１３（Ａ）に示すトランジスタは、片側のｎ＋領域を７００ｎｍとし、片側のｎ−領域を０ｎｍと設定した。また、図１３（Ｃ）に示すトランジスタは、片側のｎ＋領域を６５５ｎｍとし、片側のｎ−領域を４５ｎｍと設定した。また、図１３（Ａ）に示すトランジスタ、および図１３（Ｃ）に示すトランジスタにおいて、第２のゲートは、ｉ領域よりも大きい構造とした。なお、本評価においては、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥの電位（以下、バックゲート電位（Ｖｂｇ）ともいう）を、０．００Ｖ、−３．００Ｖ、または−６．００Ｖと設定した。
【０２５０】
図１３（Ｂ）に、図１３（Ａ）に示すトランジスタの計算によって得られたＩｄ−Ｖｇ特性の結果を示す。バックゲート電位を−３．００Ｖとした場合、０．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋１．２Ｖであった。また、バックゲート電位を−６．００Ｖとした場合、０．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋２．３Ｖであった。つまり、バックゲート電位を−６．００Ｖとした場合、−３．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋１．１Ｖであった。従って、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥの電位を大きくしても、トランジスタの閾値電圧の変動量はほとんど変化しなかった。また、バックゲート電位を大きくしても、立ち上がり特性に変化は見られなかった。
【０２５１】
図１３（Ｄ）に、図１３（Ｃ）に示すトランジスタの計算によって得られたＩｄ−Ｖｇ特性の結果を示す。バックゲート電位を−３．００Ｖとした場合、０．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋１．２Ｖであった。また、バックゲート電位を−６．００Ｖとした場合、０．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋３．５Ｖであった。つまり、バックゲート電位を−６．００Ｖとした場合、−３．００Ｖとした時と比較して、トランジスタのしきい値電圧の変動量（ΔＶｓｈ）は、＋１．１Ｖであった。従って、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥの電位を大きくするほど、トランジスタの閾値電圧の変動量が大きくなった。一方、バックゲート電位を大きくするほど、立ち上がり特性が悪化した。
【０２５２】
上記より、図１３（Ｃ）に示すトランジスタは、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥの電位を大きくするほど、トランジスタの閾値電圧の変動量が大きくなることがわかった。一方で、図１３（Ａ）に示すトランジスタは、第２のゲートとして機能する導電体ＢＧＥの電位を大きくしても、トランジスタの閾値電圧の変動量の変化は見られなかった。
【０２５３】
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２５４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したｏｘトランジスタに用いることができる金属酸化物の構成について説明する。
【０２５５】
＜金属酸化物の構成＞
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。
【０２５６】
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。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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。
【０２６０】
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。
【０２６１】
＜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。
【０２６２】
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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。
【０２６５】
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。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ｏｘトランジスタにＣＡＡＣ−ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
＜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。
【０２７０】
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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【０２７４】
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。
【０２７５】
＜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。
【０２７６】
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。
【０２７７】
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。
【０２７８】
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。
【０２７９】
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。
【０２８０】
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。
【０２８１】
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０２８２】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した情報処理システムを適用することができる電子機器等について説明する。
【０２８３】
［情報端末１］
本発明の一態様に係る情報処理システムを搭載することができる電子機器として、図１４（Ａ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３とを有する。
【０２８４】
デスクトップ型情報端末５３００は、本発明の一態様の情報処理システムを適用することで、高度なグラフィックス処理の他、科学技術計算、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとして、例えば、設計支援ソフトウェア、翻訳ソフトウェア、ゲーム用ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
【０２８５】
なお、上述のデスクトップ型情報端末５３００以外の情報端末として、例えば、ワークステーション、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機等にも、本発明の一態様に係る情報処理システムを搭載することができる。
【０２８６】
［移動体］
本発明の一態様に係る情報処理システムは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
【０２８７】
図１４（Ｂ）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図１４（Ｃ）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図１４（Ｃ）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
【０２８８】
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
【０２８９】
表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
【０２９０】
自動車５７００に、本発明の一態様に係る情報処理システムを適用することで、滑らかなグラフィックス処理を行いながら、その他の情報処理を平行して行うことができる。
【０２９１】
また、本発明の一態様に係る情報処理システムは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該情報処理システムを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該コンピュータを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
【０２９２】
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体として、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様の情報処理システムを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
【０２９３】
［情報端末２］
図１５に、情報端末７０００の一例を示す。図１５（Ａ）に示すように、情報端末７０００は、筐体７０１０、モニタ部７０１２、キーボード７０１３、ポート７０１５を有する。キーボード７０１３、ポート７０１５は筐体７０１０に設けられている。ポート７０１５としては、例えば、ＵＳＢポート、ＬＡＮポート、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ＨＤＭＩは登録商標）ポートなどがある。
【０２９４】
モニタ部７０１２は、開閉可能に筐体７０１０に取り付けられている。図１５（Ａ）には、モニタ部７０１２が開いている状態が示され、図１５（Ｂ）には、モニタ部７０１２が閉じている状態を示す。例えば、モニタ部７０１２の最大開角度は１３５°程度である。
【０２９５】
図１５（Ｂ）に示すように、筐体７０１０には開閉可能なカバー７０１１が設けられている。筐体７０１０内部には、複数のＧＰＵ７０１６が着脱可能に組み込まれている。筐体７０１０の内部には、ＧＰＵ７０１６を冷却する装置、または放熱する装置が設けられていてもよい。カバー７０１１を開けて、ＧＰＵ７０１６を交換することができるので、情報端末７０００の拡張性は高い。情報端末７０００に複数のＧＰＵ７０１６を組み込むことで、様々なグラフィック処理、科学技術計算、及び人工知能の演算を高速に行うことができる。
【０２９６】
＜並列計算機＞
本発明の一態様に係る情報処理システムを複数用いて、クラスターを組むことで、並列計算機を構成することができる。
【０２９７】
図１６（Ａ）には、大型の並列計算機５４００が図示されている。並列計算機５４００には、ラック５４１０にラックマウント型の計算機５４２０が複数格納されている。
【０２９８】
計算機５４２０は、例えば、図１６（Ｂ）に示す斜視図の構成とすることができる。図１６（Ｂ）において、計算機５４２０は、マザーボード５４３０を有し、マザーボードは、複数のスロット５４３１、複数の接続端子５４３２、複数の接続端子５４３３を有する。スロット５４３１には、ＰＣカード５４２１が挿されている。加えて、ＰＣカード５４２１は、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５を有し、それぞれ、マザーボード５４３０に接続されている。
【０２９９】
ＰＣカード５４２１は、実施の形態１で説明した、ＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリなどを備えた情報処理システムである。例えば、図１６（Ｃ）では、ＰＣカード５４２１が、ボード５４２２を有し、ボード５４２２が、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５と、チップ５４２６と、チップ５４２７と、接続端子５４２８と、を有する構成を示している。なお、図１６（Ｃ）には、チップ５４２６、及びチップ５４２７以外のチップを図示しているが、それらのチップについては、以下に記載するチップ５４２６、及びチップ５４２７の説明を参酌する。
【０３００】
接続端子５４２８は、マザーボード５４３０のスロット５４３１に挿すことができる形状を有しており、接続端子５４２８は、ＰＣカード５４２１とマザーボード５４３０とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子５４２８の規格としては、例えば、ＰＣＩｅなどが挙げられる。
【０３０１】
接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５は、例えば、ＰＣカード５４２１に対して電力供給、信号入力などを行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、ＰＣカード５４２１によって計算された信号の出力などを行うためのインターフェースとすることができる。接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５のそれぞれの規格としては、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）、ＳＡＴＡ（Ｓｅｒｉａｌ  ＡＴＡ）、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などが挙げられる。また、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、ＨＤＭＩ（登録商標）などが挙げられる。
【０３０２】
チップ５４２６は、信号の入出力を行う端子（図示しない）を有しており、当該端子をＰＣカード５４２１が備えるソケット（図示しない）に対して差し込むことで、チップ５４２６とＰＣカード５４２１とを電気的に接続することができる。チップ５４２６としては、例えば、上記実施の形態で説明したＧＰＵ１３とすることができる。
【０３０３】
チップ５４２７は、複数の端子を有しており、当該端子をＰＣカード５４２１が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、チップ５４２７とＰＣカード５４２１とを電気的に接続することができる。チップ５４２７としては、例えば、記憶装置、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、ＣＰＵなどが挙げられる。
【０３０４】
本発明の一態様に係る情報処理システムを、図１６（Ａ）に示す並列計算機５４００の計算機５４２０に適用することで、例えば、人工知能の学習、及び推論に必要な大規模の計算を行うことができる。
【０３０５】
＜サーバ、及びサーバを含むシステム＞
本発明の一態様に係る情報処理システムは、例えば、ネットワーク上で機能するサーバに適用することができる。また、これにより当該サーバを含むシステムを構成することができる。
【０３０６】
図１７（Ａ）は、一例として、本発明の一態様に係る情報処理システムを適用したサーバ５１００と、情報端末５５００、及びデスクトップ型情報端末５３００と、の間で通信を行う様子を模式的に示している。なお、図１７（Ａ）では、通信を行う様子として、通信５１１０を図示している。
【０３０７】
このような形態を構成することにより、ユーザは、情報端末５５００、デスクトップ型情報端末５３００などからサーバ５１００に対してアクセスすることができる。そして、ユーザは、インターネットを介した通信５１１０によって、サーバ５１００の管理者が提供するサービスを受けることができる。当該サービスとしては、例えば、電子メール、ＳＮＳ（Ｓｏｃｉａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）、オンラインソフトウェア、クラウドストレージ、ナビゲーションシステム、翻訳システム、インターネットゲーム、オンラインショッピング、株・為替・債権などの金融取引、公共施設・商業施設・宿泊施設・病院などの予約、インターネット番組・講演・講義などの動画の視聴などが挙げられる。
【０３０８】
特に、本発明の一態様に係る情報処理システムをサーバ５１００に適用することによって、上述したサービスにおいて、人工知能を利用することができる場合がある。例えば、ナビゲーションシステムに人工知能を導入することによって、当該システムは、道路の混雑状況、電車の運行情報などに応じて臨機応変に目的地まで案内することができる場合がある。また、例えば、翻訳システムに人工知能を導入することによって、当該システムは、方言・スラングなど独特の言い回しを適切に翻訳することができる場合がある。また、例えば、病院などの予約のシステムに人工知能を利用することによって、当該システムは、ユーザの症状・怪我の度合いなどから判断して適切な病院・診察所などを紹介することができる場合がある。
【０３０９】
また、ユーザが人工知能の開発を行いたい場合、インターネットを介してサーバ５１００にアクセスして、サーバ５１００上で当該開発を行うことができる。これは、ユーザの手元にある情報端末５５００、デスクトップ型情報端末５３００などでは処理能力が足りない場合、情報端末５５００、デスクトップ型情報端末５３００などで開発環境を構築できない場合などに好適である。
【０３１０】
図１７（Ａ）では、サーバを含むシステムとして、情報端末とサーバ５１００とによって構成されるシステムの一例を示しているが、別の一例として、情報端末以外の電子機器とサーバ５１００とによって構成されるシステムであってもよい。つまり、電子機器をインターネットに接続したＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）の形態としてもよい。
【０３１１】
図１７（Ｂ）は、一例として、電子機器（電気冷凍冷蔵庫５８００、携帯ゲーム機５２００、自動車５７００、ＴＶ５６００）とサーバ５１００との間で通信を行う様子を模式的に示している。なお、図１７（Ｂ）では、通信を行う様子として、通信５１１０を図示している。
【０３１２】
図１７（Ｂ）において、それぞれの電子機器に人工知能を適用する場合、当該人工知能を動作するために必要な演算をサーバ５１００で実行することができる。例えば、演算に必要な入力データが、通信５１１０によって、それぞれの電子機器の一つからサーバ５１００に送信されることで、サーバ５１００が有する人工知能によって当該入力データを基に出力データが算出され、当該出力データは通信５１１０によってサーバ５１００から電子機器の一つに送信される。これにより、電子機器の一つは、人工知能が出力したデータに基づいた動作を行うことができる。
【０３１３】
図１７（Ｂ）に示す電子機器は一例であり、図１７（Ｂ）に図示していない電子機器をサーバ５１００に接続して、上述と同様に、相互に通信を行う構成としてもよい。
【０３１４】
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
【０３１５】
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０３１６】
ＢＧＬ１    配線
ＢＧＬ２    配線
ＢＧＬ３    配線
ＢＧＬ４    配線
ＣＤ１    容量素子
ＣＤ２    容量素子
Ｍ１    トランジスタ
Ｍ２    トランジスタ
Ｍ３    トランジスタ
Ｍ４    トランジスタ
Ｍ５    トランジスタ
Ｍ６    トランジスタ
Ｍ７    トランジスタ
Ｍ８    トランジスタ
Ｍ９    トランジスタ
Ｍ１０    トランジスタ
ＭＳ１    トランジスタ
ＭＳ２    トランジスタ
ＭＳ３    トランジスタ
ＭＳ４    トランジスタ
Ｓ１    酸化物
１０    情報処理システム
１１    ＣＰＵ
１２    メインメモリ
１３    ＧＰＵ
１４    ＧＰＵ
１５    バスライン
１６    バスライン
１７    ＤＭＡＣ
１８    ＤＭＡＣ
２１    メモリ
２２    メモリ
２３    メモリ
３１    矢印
３２    矢印
３３    矢印
３４    矢印
３５    矢印
３６    矢印
３７    矢印
３８    矢印
４０    情報処理システム
４１    矢印
４２    矢印
４３    矢印
４４    矢印
４５    矢印
１００    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
２０３    導電体
２０３ａ    導電体
２０３ｂ    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
２３０    酸化物
２３０ａ    酸化物
２３０ｂ    酸化物
２３０ｃ    酸化物
２３４    領域
２４０ａ    導電体
２４０ｂ    導電体
２４２    導電体
２４２ａ    導電体
２４２ｂ    導電体
２４３    領域
２４３ａ    領域
２４３ｂ    領域
２４４    絶縁体
２４６    導電体
２４８    導電体
２５０    絶縁体
２６０    導電体
２６０ａ    導電体
２６０ｂ    導電体
２７４    絶縁体
２８０    絶縁体
２８１    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    メモリセルアレイ
４１０    メモリセル
４２０    メモリセル
４３０    メモリセル
４４０    メモリセル
４５０    メモリセル
４６０    メモリセル
４７０    メモリセル
４８０    メモリセル
４９０    メモリセル
５００    記憶装置
５１１    周辺回路
５２１    ローデコーダ
５２２    ワード線ドライバ回路
５３０    ビット線ドライバ回路
５３１    カラムデコーダ
５３２    プリチャージ回路
５３３    センスアンプ
５３４    回路
５４０    出力回路
５６０    コントロールロジック回路
１００１    配線
１００２    配線
１００３    配線
１００４    配線
１００５    配線
１００６    配線
５１００    サーバ
５１１０    通信
５２００    携帯ゲーム機
５３００    デスクトップ型情報端末
５３０１    本体
５３０２    ディスプレイ
５３０３    キーボード
５４００    並列計算機
５４１０    ラック
５４２０    計算機
５４２１    ＰＣカード
５４２２    ボード
５４２３    接続端子
５４２４    接続端子
５４２５    接続端子
５４２６    チップ
５４２７    チップ
５４２８    接続端子
５４３０    マザーボード
５４３１    スロット
５４３２    接続端子
５４３３    接続端子
５５００    情報端末
５６００    ＴＶ
５７００    自動車
５７０１    表示パネル
５７０２    表示パネル
５７０３    表示パネル
５７０４    表示パネル
５８００    電気冷凍冷蔵庫
７０００    情報端末
７０１０    筐体
７０１１    カバー
７０１２    モニタ部
７０１３    キーボード
７０１５    ポート
７０１６    ＧＰＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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