(57)【要約】【課題】低消費電力且つ安定した動作が可能な半導体装置の提供。【解決手段】電源回路と、電源管理回路と、演算処理回路と、パワースイッチと、を有し、電源回路は、電源電位を生成する機能を有し、パワースイッチは、演算処理回路への電源電位の供給および停止を制御できる機能を有し、演算処理回路は、第１回路と第２回路を有し、第１回路は、演算処理回路で生成されるデータを保持できる機能を有し、第２回路は、第１回路で保持されているデータを退避し、保持することができる機能、および退避しているデータを第１回路に復帰できる機能を有し、第２回路および電源管理回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路を有する。【選択図】図１
2019201369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源回路と、
電源管理回路と、
演算処理回路と、
パワースイッチと、を有し、
前記電源回路は、電源電位を生成する機能を有し、
前記パワースイッチは、前記演算処理回路への前記電源電位の供給および停止を制御できる機能を有し、
演算処理回路は、第１回路と第２回路を有し、
前記第１回路は、前記演算処理回路で生成されるデータを保持できる機能を有し、
前記第２回路は、前記第１回路で保持されているデータを退避し、保持することができる機能、および退避しているデータを前記第１回路に復帰できる機能を有し、
前記第２回路および前記電源管理回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記電源管理回路は、入力回路、ＡＮＤゲート回路、およびＯＲゲート回路を有するプログラマブルロジックアレイである半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ＡＮＤゲート回路およびＯＲゲート回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有し、当該トランジスタはオフ状態とすることでコンフィギュレーションデータに応じた電荷を記憶する機能を有する半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体装置と、
リードと、を有する電子部品。
【請求項５】
請求項１乃至３に記載の半導体装置、及び請求項４に記載の電子部品の何れか一と、
表示装置、タッチパネル、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。
【０００２】
また、本発明の一形態は半導体装置に関する。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。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、記憶装置、電気光学装置、蓄電装置、制御システム、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ）等の酸化物半導体で、チャネルが形成されているトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）が知られている。酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが大きいため、ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて低くなることが知られている。ＯＳトランジスタのオフ電流特性を利用した様々な半導体装置が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００５】
例えば特許文献１では、キャッシュメモリにＯＳトランジスタを用いた記憶回路において、ＰＧ（Ｐｏｗｅｒ  Ｇａｔｉｎｇ）手法を適用して消費電力を削減した半導体装置について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／３７０３１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＰＧ手法を制御するための電源管理回路（Ｐｏｗｅｒ  Ｍａｎａｇｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ：ＰＭＵともいう）は、シリコン（Ｓｉ）でチャネルが形成されているトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある。）で構成することができる。しかしながら、Ｓｉトランジスタは高温にさらされることと電気特性が変動してしまうため、正常な回路動作を維持できなくなるといった問題や貫通電流の増大に伴う消費電力の増加といった問題が生じる。
【０００８】
また記憶回路の一部に適用されるＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタで構成される論理回路が設けられる領域の上層に設けられる。しかしながら、演算回路や電源管理回路といった論理回路が占める面積が大きいため、ＯＳトランジスタが設けられる層では効率的にトランジスタを配置できず、回路パターンが存在しない領域（Ｄｅａｄ  Ｓｐａｃｅ）が生じるといった問題があった。
【０００９】
上述の諸問題を鑑み、本発明の一態様は、信頼性に優れた半導体装置を提供することを課題の一とする。または本発明の一態様は、低消費電力化に優れた半導体装置を提供することを課題の一とする。または本発明の一態様は、効率的にトランジスタを配置することで小型化が可能な半導体装置を提供することを課題の一とする。
【００１０】
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】
【００１１】
本発明の一態様は、電源回路と、電源管理回路と、演算処理回路と、パワースイッチと、を有し、電源回路は、電源電位を生成する機能を有し、パワースイッチは、演算処理回路への電源電位の供給および停止を制御できる機能を有し、演算処理回路は、第１回路と第２回路を有し、第１回路は、演算処理回路で生成されるデータを保持できる機能を有し、第２回路は、第１回路で保持されているデータを退避し、保持することができる機能、および退避しているデータを第１回路に復帰できる機能を有し、第２回路および電源管理回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
本発明の一態様において、電源管理回路は、入力回路、ＡＮＤゲート回路、およびＯＲゲート回路を有するプログラマブルロジックアレイである半導体装置が好ましい。
【００１３】
本発明の一態様において、ＡＮＤゲートおよびＯＲゲートトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有し、当該トランジスタはオフ状態とすることでコンフィギュレーションデータに応じた電荷を記憶する機能を有する半導体装置が好ましい。
【００１４】
本発明の一態様は、上記記載の半導体装置と、リードと、を有する電子部品である。
【００１５】
本発明の一態様は、上記記載の半導体装置、及び上記記載の電子部品の何れか一と、表示装置、タッチパネル、マイク、スピーカ、操作キー、及び筐体の少なくとも一と、を有する電子機器である。
【００１６】
なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、および図面に記載されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様は、信頼性に優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は、低消費電力化に優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は、効率的にトランジスタを配置することで小型化が可能な半導体装置を提供することができる。
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】半導体装置の構成例を説明するブロック図。
【図２】半導体装置の構成例を説明するブロック図。
【図３】半導体装置の構成例を説明する回路図。
【図４】半導体装置の構成例を説明する回路図。
【図５】半導体装置の構成例を説明する回路図。
【図６】半導体装置の構成例を説明する回路図。
【図７】半導体装置の構成例を説明する回路図。
【図８】半導体装置の構成例を説明するタイミングチャート。
【図９】半導体装置の構成例を説明するタイミングチャート。
【図１０】トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１１】トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１２】トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。
【図１３】トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。
【図１４】トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。
【図１５】トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。
【図１６】トランジスタの構造例を示す上面図および断面図。
【図１７】電子部品の作製方法の一例を示すフローチャートおよび斜視模式図。
【図１８】：電子機器の一例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
【００２２】
なお図面において、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。すなわち、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを、「酸化物半導体トランジスタ」、「ＯＳトランジスタ」と呼ぶことができる。同様に、上述した、「酸化物半導体を用いたトランジスタ」も、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタである。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の一態様である半導体装置の構成について説明する。
【００２６】
図１（Ａ）は、本実施の形態の半導体装置のブロック図である。本実施の形態で説明する半導体装置１００は、演算処理回路１１１、タイマ１１２およびスイッチ１１３を有するＳｉトランジスタ層１０１、電源管理回路１２１およびメモリ回路１２２を有するＯＳトランジスタ層１０２を有する。
【００２７】
Ｓｉトランジスタ層１０１は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタを有する層である。ＯＳトランジスタ層１０２は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有する層である。Ｓｉトランジスタ層１０１は、ＯＳトランジスタ層１０２の下層に設けられる。ＯＳトランジスタ層１０２は、Ｓｉトランジスタ層１０１の上層に設けられる。
【００２８】
半導体装置１００は、Ｓｉトランジスタ層１０１の上層にあたるＯＳトランジスタ層１０２において、ＯＳトランジスタを用いてプログラマブルロジックデバイス（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）を構成する。ＯＳトランジスタ層１０２では、メモリ回路のみならず、演算処理を行う電源管理回路１２１を設けることで、ＯＳトランジスタ層１０２の面積効率を向上させることに加えることができる。また、Ｓｉトランジスタ層１０１とは独立した、演算機能とメモリ機能とをＯＳトランジスタ層１０２において兼ね備えることができる。そのため、図１（Ａ）に図示するように、デットスペースであったＯＳトランジスタ層１０２の領域を効率的に活用することができる。
【００２９】
ＯＳトランジスタ層１０２に実装するプログラマブルロジックデバイスの一例としては、ＰＬＡ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ａｒｒａｙ）が好適である。ＯＳトランジスタ層１０２に設けられるＰＬＡは、後述するＯＳトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。
【００３０】
Ｓｉトランジスタ層１０１上にＯＳトランジスタ層１０２を設けるハイブリッドプロセスを採用することで、ＢＥＯＬ（Ｂａｃｋ  Ｅｎｄ  Ｏｆ  Ｌｉｎｅ）部に演算処理を行う電源管理回路１２１を設けることができるため、今までＳｉトランジスタが担っていた機能の一部をＯＳトランジスタ層１０２で処理することが可能である。
【００３１】
本発明の一態様の構成とすることで、例えば、動作速度がそれほど要求されない電源管理回路１２１などの回路での信号処理をＯＳトランジスタ層１０２で処理することで、電源制御回路に使用されていたＳｉトランジスタ層１０１に設けられる分のゲート素子などが不要になる。そのため、ＯＳトランジスタ層１０２に機能が代替されて余剰になったＳｉトランジスタ層１０１のゲート素子を用いて、Ｓｉトランジスタ層１０１の回路規模を拡大して演算処理の機能を向上させる、もしくは不要になったＳｉトランジスタ層１０１のゲート素子を削除して回路面積を削減するなど、半導体装置１００の性能を向上させることができる。
【００３２】
加えてＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと異なり、高温環境時においても良好なトランジスタ特性を維持することができる。そのため、高温環境下においても良好な動作を可能な半導体装置１００とすることができる。
【００３３】
図１（Ｂ）には、図１（Ａ）の半導体装置１００を説明するためのブロック図である。
【００３４】
図１（Ｂ）では、図１（Ａ）で図示した、演算処理回路１１１、タイマ１１２およびスイッチ１１３を有するＳｉトランジスタ層１０１、電源管理回路１２１およびメモリ回路１２２を有するＯＳトランジスタ層１０２の他、電源回路１０３および入力回路１０４を図示している。
【００３５】
演算処理回路１１１は、演算処理部（図示せず）と、演算処理で生成されるデータを記憶可能なメモリ回路１２２、１２３と、を有する。例えば、演算処理部は、ＣＰＵ、ＧＰＵなどのプロセッサである。メモリ回路１２３は、Ｓｉトランジスタ層１０１に設けられる、演算して得られるデータを一時的に記憶するためのレジスタである。メモリ回路１２３は、電源電圧の供給が行われる期間にデータの保持ができる機能を有する。メモリ回路１２３は、電源電圧の供給が停止する期間にデータが消失する。
【００３６】
またＯＳトランジスタ層に設けられるメモリ回路１２２を有する。メモリ回路１２２は、メモリ回路１２３で保持されているデータを電源電圧が停止時に退避させ、保持することができる機能、および退避しているデータをメモリ回路１２３に復帰できる機能を有する。例えばメモリ回路１２２は、ＯＳトランジスタと容量素子とで構成され、ＯＳトランジスタのオフ電流が極めて低いことを利用して、データに応じた電荷を、電源電圧の供給停止時においても保持することができる機能を有する。そのため、演算処理回路１１１は、ＰＧ手法を適用する前後の期間において、演算処理で生成されたデータを保持し続けることができる。
【００３７】
タイマ１１２は、クロック信号に応じて所定の期間毎に信号ＩＮ＿ｔを生成する機能を有する。タイマ１１２は、Ｓｉトランジスタ層１０１に設ける構成を図示しているが、高速で動作させる必要がない場合、ＯＳトランジスタ層１０２に設ける構成としてもよい。タイマ１１２で生成される信号ＩＮ＿ｔは、電源管理回路１２１に出力される。
【００３８】
電源回路１０３は、Ｓｉトランジスタ層１０１およびＯＳトランジスタ層１０２が有する各回路を駆動するための電源電位を生成し、出力する機能を有する。図１（Ｂ）では、電源電位として、電圧ＶＤＤ及び電圧ＶＳＳ（＜ＶＤＤ）を図示している。
【００３９】
スイッチ１１３は、演算処理回路１１１に対しＰＧ手法を適用するためのパワースイッチとしての機能を有する。スイッチ１１３は、電源管理回路１２１からの信号ＯＵＴに応じて、演算処理回路１１１への電圧ＶＤＤおよび電圧ＶＳＳの供給を行うか停止するかを制御できる機能を有する。スイッチ１１３は、Ｓｉトランジスタ層１０１に設ける構成を図示しているが、高速で動作させる必要がない場合、ＯＳトランジスタ層に設ける構成としてもよい。
【００４０】
入力回路１０４は、タッチセンサ等の外部入力手段、あるいは温度センサ等のセンシング手段である。入力回路１０４で生成される信号ＩＮ＿ｓは、電源管理回路１２１に出力される。
【００４１】
電源管理回路１２１は、信号ＩＮ＿ｓや信号ＩＮ＿ｔ等の入力信号に応じて、出力信号ＯＵＴを生成する機能を有する。電源管理回路１２１は、ＯＳトランジスタ、つまりチャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタで構成される論理回路である。具体的には、プログラマブルロジックデバイスなどのプログラマブルな演算回路で当該信号を処理することができる。電源管理回路１２１は、演算処理部ほど、高速に動作させる必要がない。そのため、ＯＳトランジスタの性能で所望の機能を実現することができる。
【００４２】
電源管理回路１２１は、演算処理回路１１１とは異なり、常時駆動し続ける必要がある。そのため、環境温度の変化等より、トランジスタ特性の変動が小さいＯＳトランジスタで回路を構成することで、信頼性に優れた動作を実現できる。
【００４３】
ＯＳトランジスタ層１０２に実装するプログラマブルロジックデバイスの一例としては、ＰＬＡ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ａｒｒａｙ）が好適である。ＯＳトランジスタ層１０２に設けられるＰＬＡは、後述するＯＳトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。
【００４４】
また、ＯＳトランジスタは、オフ時にソースとドレインとの間を流れる電流、いわゆるオフ電流が極めて低いため、貫通電流を小さくできる。そのため、ダイナミック型単極性ＰＬＡとして動作させた場合に貫通電流をより小さくできるため、低消費電力化を図ることができる。
【００４５】
次いで、図２乃至図７を用いてＯＳトランジスタのみで実装可能なダイナミック型のＰＬＡの構成例について説明する。また図８および図９を用いて図２乃至図７で示すダイナミック型のＰＬＡの駆動方法の一例について説明する。ダイナミック型のＰＬＡとすることでスタティック電流の小さい単極性ＰＬＡを構成できる。また以下で説明するダイナミック型のＰＬＡは、クロック信号ＰＨ１乃至ＰＨ４の４相クロックに同期して動作させる構成について説明する。
【００４６】
図２（Ａ）は、ダイナミック型のＰＬＡとして動作可能な電源管理回路１２１のブロック図である。電源管理回路１２１は、入力回路１３０、ＡＮＤゲート回路１４０、およびＯＲゲート回路１５０で構成される。
【００４７】
入力回路１３０には、タイマ１１２および入力回路１０４等からＩＮ＿１乃至ＩＮ＿ｎ（ｎは２以上の自然数）の複数の入力信号が入力される。入力回路１３０は、入力信号ＩＮ＿１乃至ＩＮ＿ｎと反転入力信号ＩＮ＿１ｂ乃至ＩＮ＿ｎｂを出力する機能を有する。入力回路１３０は、バッファ回路およびインバータ回路の機能を有する。入力回路１３０には、動作を制御するためのクロック信号ＰＨ１およびＰＨ２が入力される。
【００４８】
ＡＮＤゲート回路１４０には、入力回路１３０から入力信号ＩＮ＿１乃至ＩＮ＿ｎと反転入力信号ＩＮ＿１ｂ乃至ＩＮ＿ｎｂが入力される。ＡＮＤゲート回路１４０は、入力信号数の切り替えが可能なプログラマブルスイッチアレイと駆動回路とを有する。ＡＮＤゲート回路１４０は、入力される信号の論理積に応じた信号ＡＮＬ＿１乃至ＡＮＬ＿ｊ（ｊは２以上の自然数。図２（Ａ）ではＡＮＬ＿ｊ−１、ＡＮＬ＿ｊ、ＡＮＬ＿ｊ＋１を図示）を出力する。ＡＮＤゲート回路１４０には、動作を制御するためのクロック信号ＰＨ２およびＰＨ３が入力される。またＡＮＤゲート回路１４０には、プログラマブルスイッチアレイでの結線関係を切り替えるための信号を入出力する各種制御信号がビット線ＢＬ、ワード線ＷＬ、配線ＡＮＳを介して与えられる。なお配線ＡＮＳはソース線であり、グラウンド電位を与える機能を有する。
【００４９】
ＯＲゲート回路１５０には、ＡＮＤゲート回路１４０から信号入力信号ＡＮＬ＿１乃至ＡＮＬ＿ｊが入力される。ＯＲゲート回路１５０は、入力信号数の切り替えが可能なプログラマブルスイッチアレイと駆動回路とを有する。ＯＲゲート回路１５０は、入力される信号の論理和に応じた信号ＯＵＴ＿１乃至ＯＵＴ＿ｋ（ｋは２以上の自然数。図２（Ａ）ではＯＵＴ＿ｋ−１、ＯＵＴ＿ｋ、ＯＵＴ＿ｋ＋１を図示）を出力する。ＯＲゲート回路１５０には、動作を制御するためのクロック信号ＰＨ３およびＰＨ４が入力される。またＯＲゲート回路１５０には、プログラマブルスイッチアレイでの結線関係を切り替えるための信号を入出力する各種制御信号がビット線ＢＬ、ワード線ＷＬ、配線ＯＲＳを介して与えられる。なお配線ＯＲＳはソース線であり、グラウンド電位を与える機能を有する。
【００５０】
図２（Ａ）に図示する入力回路１３０、ＡＮＤゲート回路１４０、およびＯＲゲート回路１５０は、図２（Ｂ）のように表すことができる。図２（Ｂ）では、ＡＮＤゲート回路１４０においてプログラマブルスイッチアレイ１４１、ＯＲゲート回路１５０においてプログラマブルスイッチアレイ１５１を有する。プログラマブルスイッチアレイ１４１およびプログラマブルスイッチアレイ１５１はそれぞれ、内部の結線情報をコンフィギュレーションデータとして保持するためのメモリ回路としての機能を有する。当該メモリ回路は、ＯＳトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能であり、好適である。
【００５１】
図３（Ａ）は、入力回路１３０の構成例を示す回路図である。
【００５２】
入力回路１３０は複数のダイナミック型単極性インバータ回路を有する。図３（Ａ）には、１つのダイナミック型単極性インバータ回路を図示している。当該ダイナミック型単極性インバータ回路は、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３を有し、入力信号ＩＮを反転させた信号ＩＮＢを生成する機能を有する。
【００５３】
トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２は、クロック信号ＰＨ１およびＰＨ２に応じてオンまたはオフが制御される。トランジスタＴｒ３は、入力信号ＩＮに応じてオンまたはオフが制御される。ダイナミック型単極性インバータ回路は、各トランジスタのオンまたはオフに応じて信号ＩＮＢを出力することができる。
【００５４】
なお入力回路１３０が有するダイナミック型単極性インバータ回路は、図３（Ｂ）に図示する入力回路１３０Ａの構成としてもよい。図３（Ｂ）では、ダイナミック型単極性インバータ回路が有する各トランジスタのゲートとバックゲートとを接続した構成である。当該構成とすることで、トランジスタを流れる電流量を大きくすることができる。
【００５５】
あるいは入力回路１３０が有するダイナミック型単極性インバータ回路は、図３（Ｃ）に図示する入力回路１３０Ｂの構成としてもよい。図３（Ｃ）では、ダイナミック型単極性インバータ回路が有する各トランジスタのバックゲートに、ゲートでは別の電位（Ｖｂｇ）を与える構成である。当該構成とすることで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
【００５６】
なお、以下の説明及び図では、図３（Ａ）に図示するようにＯＳトランジスタのバックゲートを省略して説明するが、図３（Ｂ）、（Ｃ）のようにバックゲートを設ける構成とすることもできる。
【００５７】
図４にＡＮＤゲート回路１４０が有するプログラマブルスイッチアレイ１４１の構成例を示す。
【００５８】
図４では説明のため、プログラマブルスイッチアレイ１４１として、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｊ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｊ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｊ＋１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｊ＋２］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｊ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｊ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｊ＋１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｊ＋２］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｊ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｊ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｊ＋１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋２，ｊ＋２］、とを図示している。
【００５９】
プログラマブルスイッチ回路Ｓはそれぞれ、トランジスタＴｒ４、トランジスタＴｒ５、およびトランジスタＴｒ６、容量素子Ｃ１を有する。
【００６０】
図５にＡＮＤゲート回路１４０が有する駆動回路と、上述したプログラマブルスイッチアレイ１４１を併せた構成例を示す。
【００６１】
駆動回路は、駆動回路Ｒ［ｉ−１］、駆動回路Ｒ［ｉ］、駆動回路Ｒ［ｉ＋１］、とから構成される。
【００６２】
駆動回路Ｒは、トランジスタＴｒ７およびトランジスタＴｒ８、とを有する。
【００６３】
図６にＯＲゲート回路１５０が有するプログラマブルスイッチアレイ１５１の構成例を示す。
【００６４】
図６では説明のため、プログラマブルスイッチアレイ１５１として、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｋ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｋ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ−１，ｋ＋１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｋ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｋ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ，ｋ＋１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｋ−１］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｋ］、プログラマブルスイッチ回路Ｓ［ｉ＋１，ｋ＋１］、とを図示している。
【００６５】
プログラマブルスイッチ回路Ｓはそれぞれ、トランジスタＴｒ４、トランジスタＴｒ５、およびトランジスタＴｒ６、容量素子Ｃ１を有する。
【００６６】
図７にＯＲゲート回路１５０が有する駆動回路と、上述したプログラマブルスイッチアレイ１５１を併せた構成例を示す。
【００６７】
プログラマブルＯＲ駆動回路は、駆動回路Ｒ［ｋ−１］、駆動回路Ｒ［ｋ］、および駆動回路Ｒ［ｋ＋１］を有する。
【００６８】
図８には、上述した図３乃至図７で説明した各回路を有する、ダイナミック型単極性ＰＬＡの動作を説明するタイミングチャートを示す。図８では、結線関係を設定するためのコンフィギュレーションデータを書き込む動作について説明する。
【００６９】
時刻Ｔ１において、ワード線ＷＬ［ｉ−１］をＨレベルの電位とし、ビット線ＢＬ［ｊ−１］、ビット線ＢＬ［ｊ］、ビット線ＢＬ［ｊ＋１］、ビット線ＢＬ［ｊ＋２］、ビット線ＢＬ［ｋ−１］、ビット線ＢＬ［ｋ］、ビット線ＢＬ［ｋ＋１］、にそれぞれ所望のデータｄ１、データｄ４、データｄ７、データｄ１０、データｄ１３、データｄ１６、データｄ１９、を表す電圧を供給する。保持ノードＮ［ｉ−１，ｊ−１］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｊ］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｊ＋１］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｊ＋２］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｋ−１］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｋ］、保持ノードＮ［ｉ−１，ｋ＋１］、には、データｄ１、データｄ４、データｄ７、データｄ１０、データｄ１３、データｄ１６、データｄ１９、がそれぞれ書き込まれる。
【００７０】
時刻Ｔ２において、ワード線ＷＬ［ｉ−１］をＬレベルの電位とすることで、ワード線ＷＬ［ｉ−１］に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。
【００７１】
時刻Ｔ３において、ワード線ＷＬ［ｉ］をＨレベルの電位とし、ビット線ＢＬ［ｊ−１］、ビット線ＢＬ［ｊ］、ビット線ＢＬ［ｊ＋１］、ビット線ＢＬ［ｊ＋２］、ビット線ＢＬ［ｋ−１］、ビット線ＢＬ［ｋ］、ビット線ＢＬ［ｋ＋１］、にそれぞれ所望のデータｄ２、データｄ５、データｄ８、データｄ１１、データｄ１４、データｄ１７、データｄ２０、を表す電圧を供給すると、保持ノードＮ［ｉ，ｊ−１］、保持ノードＮ［ｉ，ｊ］、保持ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、保持ノードＮ［ｉ，ｊ＋２］、保持ノードＮ［ｉ，ｋ−１］、保持ノードＮ［ｉ，ｋ］、保持ノードＮ［ｉ，ｋ＋１］、にデータｄ２、データｄ５、データｄ８、データｄ１１、データｄ１４、データｄ１７、データｄ２０、がそれぞれ書き込まれる。
【００７２】
時刻Ｔ４において、ワード線ＷＬ［ｉ］をＬレベルの電位とすることで、ワード線ＷＬ［ｉ］に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。
【００７３】
時刻Ｔ５において、ワード線ＷＬ［ｉ＋１］をＨレベルの電位とし、ビット線ＢＬ［ｊ−１］、ビット線ＢＬ［ｊ］、ビット線ＢＬ［ｊ＋１］、ビット線ＢＬ［ｊ＋２］、ビット線ＢＬ［ｋ−１］、ビット線ＢＬ［ｋ］、ビット線ＢＬ［ｋ＋１］、にそれぞれ所望のデータｄ３、データｄ６、データｄ９、データｄ１２、データｄ１５、データｄ１８、データｄ２１、を表す電圧を供給すると、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｊ−１］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋２］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｋ−１］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｋ］、保持ノードＮ［ｉ＋１，ｋ＋１］、にデータｄ３、データｄ６、データｄ９、データｄ１２、データｄ１５、データｄ１８、データｄ２１、がそれぞれ書き込まれる。
【００７４】
時刻Ｔ６において、ワード線ＷＬ［ｉ＋１］をＬレベルの電位とすることで、ワード線ＷＬ［ｉ＋１］に接続されたプログラマブルスイッチ回路の書き込みが終了する。
【００７５】
図９には、上述した図３乃至図７で説明した各回路を有する、ダイナミック型単極性ＰＬＡの論理演算を行う際の動作を説明するタイミングチャートの一例を示す。
【００７６】
時刻Ｔ７において、ＡＮＤ入力信号線ＩＮ［ｎ−１］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮ［ｎ］、に入力信号ｉｎ１、入力信号ｉｎ３、が供給される。
【００７７】
時刻Ｔ８において、クロック信号ＰＨ１をＨレベルの電位とし、ダイナミック型単極性インバータ回路ＩＮＶ［ｎ−１］、ダイナミック型単極性インバータ回路ＩＮＶ［ｎ］、の出力端子に接続されたＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、がＨレベルの電位にプリチャージされる。
【００７８】
時刻Ｔ９において、クロック信号ＰＨ１をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、のプリチャージが終了する。
【００７９】
時刻Ｔ１０において、クロック信号ＰＨ２をＨレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、に入力信号ｉｎ１、入力信号ｉｎ３、の反転信号がそれぞれ供給される。また、駆動回路Ｒ［ｉ−１］、駆動回路Ｒ［ｉ］、駆動回路Ｒ［ｉ＋１］、によりＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、がＨｉｇｈにプリチャージされる。
【００８０】
時刻Ｔ１１において、クロック信号ＰＨ２をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、の電圧供給及び、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、のプリチャージが終了する。
【００８１】
時刻Ｔ１２において、クロック信号ＰＨ３をＨレベルの電位とすることで、駆動回路Ｒ［ｉ−１］、駆動回路Ｒ［ｉ］、駆動回路Ｒ［ｉ＋１］、によりＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、がプログラマブルＡＮＤメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号ｉｎ１、入力信号ｉｎ３、の論理演算の結果を表す電位ａ１、電位ａ３、電位ａ５、に遷移する。また、駆動回路Ｒ［ｋ−１］、駆動回路Ｒ［ｋ］、駆動回路Ｒ［ｋ＋１］、によりＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、がＨレベルにプリチャージされる。
【００８２】
時刻Ｔ１３において、クロック信号ＰＨ３をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、の電圧供給及び、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、のプリチャージが終了する。
【００８３】
時刻Ｔ１４において、クロック信号ＰＨ４をＨレベルの電位とすることで、駆動回路Ｒ［ｋ−１］、駆動回路Ｒ［ｋ］、駆動回路Ｒ［ｋ＋１］、によりＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、がプログラマブルＯＲメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号ｉｎ１、入力信号ｉｎ３、の論理演算の結果を表す電位ａｏ１、電位ａｏ３、電位ａｏ５、に遷移する。
【００８４】
時刻１５において、クロック信号ＰＨ４をＬレベルの電位とすることで、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、の電圧供給が終了する。以上、時刻７乃至時刻Ｔ８において入力信号ｉｎ１、入力信号ｉｎ３、に対する、主加法標準形で表される一つの論理演算が完了する。また、ＡＮＤ入力信号線ＩＮ［ｎ−１］、ＡＮＤ入力信号線入力端子ＩＮ［ｎ］、に入力信号ｉｎ２、入力信号ｉｎ４、が供給される。
【００８５】
時刻Ｔ１６において、クロック信号ＰＨ１をＨレベルの電位とすることで、ダイナミック型単極性インバータ回路ＩＮＶ［ｎ−１］、ダイナミック型単極性インバータ回路ＩＮＶ［ｎ］、の出力端子に接続されたＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、がＨレベルにプリチャージされる。
【００８６】
時刻Ｔ１７において、クロック信号ＰＨ１をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、のプリチャージが終了する。
【００８７】
時刻Ｔ１８において、クロック信号ＰＨ２をＨレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、に入力信号ｉｎ２、入力信号ｉｎ４、の反転信号がそれぞれ供給される。また、駆動回路Ｒ［ｉ−１］、駆動回路Ｒ［ｉ］、駆動回路Ｒ［ｉ＋１］、によりＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、がＨレベルにプリチャージされる。
【００８８】
時刻Ｔ１９において、クロック信号ＰＨ２をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ］、ＡＮＤ入力信号線ＩＮＢ［ｊ＋２］、の電圧供給及び、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、のプリチャージが終了する。
【００８９】
時刻Ｔ２０において、クロック信号ＰＨ３をＨレベルの電位とすることで、駆動回路Ｒ［ｉ−１］、駆動回路Ｒ［ｉ］、駆動回路Ｒ［ｉ＋１］、によりＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、がプログラマブルＡＮＤメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号ｉｎ２、入力信号ｉｎ４、の論理演算の結果を表す電位ａ２、電位ａ４、電位ａ６、に遷移する。また、駆動回路Ｒ［ｋ−１］、駆動回路Ｒ［ｋ］、駆動回路Ｒ［ｋ＋１］、によりＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、がＨレベルにプリチャージされる。
【００９０】
時刻Ｔ２１において、クロック信号ＰＨ３をＬレベルの電位とすることで、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ−１］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ］、ＡＮＤ出力信号線ＡＮＬ［ｉ＋１］、の電圧供給及び、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、のプリチャージが終了する。
【００９１】
時刻Ｔ２２において、クロック信号ＰＨ４をＨレベルの電位とすることで、駆動回路Ｒ［ｋ−１］、駆動回路Ｒ［ｋ］、駆動回路Ｒ［ｋ＋１］、によりＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、がプログラマブルＯＲメモリアレイにプログラムされた論理関数に従って入力信号ｉｎ２、入力信号ｉｎ４、の論理演算の結果を表す電位ａｏ２、電位ａｏ４、電位ａｏ６、に遷移する。
【００９２】
時刻２３において、クロック信号ＰＨ４をＬレベルの電位とすることで、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ−１］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ］、ＯＲ出力信号線ＯＵＴ［ｋ＋１］、の電圧供給が終了する。以上、時刻１６乃至時刻Ｔ２３において入力信号ｉｎ２、入力信号ｉｎ４、に対する、主加法標準形で表される一つの論理演算が完了する。
【００９３】
以上のような構成とすることで、ＯＳトランジスタ層にダイナミック型単極性ＰＬＡを実装することが出来る。電源管理回路１２１をトランジスタ特性の変動が小さいＯＳトランジスタで回路を構成することで、環境温度の変化に伴う電気特性の変動を小さくできるため、信頼性に優れた動作を実現できる。またＯＳトランジスタ層１０２に設けられるＰＬＡは、ＯＳトランジスタの極めて低いオフ電流を利用することで、繰り返して内部の結線情報を変更可能である。
【００９４】
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。
【００９５】
（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Ｓｉトランジスタ層１０１のトランジスタに適用可能なＳｉトランジスタ、およびＯＳトランジスタ層１０２のトランジスタに適用可能なＯＳトランジスタの構成例について説明する。
【００９６】
＜半導体装置の構成例＞
図１０に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００、および容量素子６００を有している。図１１（Ａ）はトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１１（Ｂ）はトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図１１（Ｃ）はトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
【００９７】
トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ５００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、リフレッシュ動作の頻度が少ない、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【００９８】
本実施の形態で説明する半導体装置は、図１０に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ５００、容量素子６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００はトランジスタ３００、およびトランジスタ５００の上方に設けられている。
【００９９】
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。
【０１００】
トランジスタ３００は、図１１（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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
なお、図１０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５００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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
【０１１０】
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５００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。
【０１１１】
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５００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５００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。
【０１１２】
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、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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６００、またはトランジスタ５００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の機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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１０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、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０１１７】
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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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１０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の機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０１２０】
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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
【０１２１】
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１０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の機能を有する。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。
【０１２２】
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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
【０１２３】
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１０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の機能を有する。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。
【０１２４】
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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６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。
【０１２７】
例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４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５００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。
【０１２８】
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５００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５００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。
【０１２９】
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５１０、および絶縁体５１４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。
【０１３０】
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５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００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５００に対する保護膜として用いることに適している。
【０１３１】
また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６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５１２、および絶縁体５１６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。
【０１３２】
また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、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５１８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。
【０１３３】
特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８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５００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
【０１３４】
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
【０１３５】
図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１６の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に、互いに離して配置された導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の中に配置された導電体５６０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、導電体５６０と、の間に配置された絶縁体５５０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、絶縁体５５０と、の間に配置された酸化物５３０ｃと、を有する。
【０１３６】
また、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０の間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。
【０１３７】
なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂをまとめて導電体５４２という場合がある。
【０１３８】
なお、トランジスタ５００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５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ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５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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５００では、導電体５６０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５６０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１０、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ５００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。
【０１３９】
ここで、導電体５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ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５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂ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５６０、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０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５００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５６０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５００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。
【０１４０】
さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ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５００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。
【０１４１】
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
【０１４２】
ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４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５２４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５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）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）ことが好ましい。
【０１４５】
絶縁体５２２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５３０が有する酸素は、絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。
【０１４６】
絶縁体５２２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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜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。
【０１４７】
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５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
また、絶縁体５２０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５２０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。
【０１５０】
なお、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４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。
【０１５１】
トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０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５３０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５３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【０１５２】
酸化物５３０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。
【０１５３】
酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【０１５４】
なお、酸化物５３０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５３０ａ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５３０ｂ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５３０ａ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５３０ｂ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５３０ｂ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５３０ａ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５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂ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。
【０１５５】
また、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂ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５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０１５６】
ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ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５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ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５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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。
【０１５７】
具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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５３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃ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。
【０１５８】
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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５００は高いオン電流を得られる。
【０１５９】
酸化物５３０ｂ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５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）が設けられる。導電体５４２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。
【０１６０】
また、図１１（Ａ）に示すように、酸化物５３０の、導電体５４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３（領域５４３ａ、および領域５４３ｂ）が形成される場合がある。このとき、領域５４３ａ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５４３ｂ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５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
【０１６１】
酸化物５３０と接するように上記導電体５４２を設けることで、領域５４３の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３に導電体５４２に含まれる金属と、酸化物５３０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５４３のキャリア密度が増加し、領域５４３は、低抵抗領域となる。
【０１６２】
絶縁体５４４は、導電体５４２を覆うように設けられ、導電体５４２の酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。
【０１６３】
絶縁体５４４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。
【０１６４】
特に、絶縁体５４４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５４２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５４４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。
【０１６５】
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃ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５５０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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として、酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体５５０から、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ｂ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５２４と同様に、絶縁体５５０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５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０１６８】
また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０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５５０から導電体５６０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５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０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５６０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５４４に用いることができる材料を用いればよい。
【０１６９】
ゲート電極として機能する導電体５６０は、図１１（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。
【０１７０】
導電体５６０ａ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５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５５０に含まれる酸素により、導電体５６０ｂ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。
【０１７１】
また、導電体５６０ｂ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５６０ｂ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５６０ｂ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。
【０１７２】
絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０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。
【０１７３】
絶縁体５８０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５８０を、酸化物５３０ｃと接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０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。
【０１７４】
絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
【０１７５】
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５６０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５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０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５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく、形成することができる。
【０１７６】
絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０および絶縁体５８０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５３０中に酸素を供給することができる。
【０１７７】
例えば、絶縁体５７４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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４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。
【０１８０】
また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６および導電体５４８と同様の構成である。
【０１８１】
絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２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５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２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。
【０１８２】
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５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００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５００に対する保護膜として用いることに適している。
【０１８３】
また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６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５８６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。
【０１８４】
また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。
【０１８５】
導電体５４６、および導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、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５４６、および導電体５４８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。
【０１８６】
続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０と、導電体６２０、絶縁体６３０とを有する。
【０１８７】
また、導電体５４６、および導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００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６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、および導電体６１０は、同時に形成することができる。
【０１８８】
導電体６１２、および導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。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。
【０１８９】
図１０では、導電体６１２、および導電体６１０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。
【０１９０】
絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０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。
【０１９１】
導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０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６５０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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
＜トランジスタの構造例＞
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ５００は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ５００に用いることができる構造例について説明する。
【０１９４】
＜トランジスタの構造例１＞
図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図１２（Ａ）はトランジスタ５１０Ａの上面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１２（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。
【０１９５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）では、トランジスタ５１０Ａと、層間膜として機能する絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４を示している。また、トランジスタ５１０Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体５４６（導電体５４６ａ、および導電体５４６ｂ）を示している。
【０１９６】
トランジスタ５１０Ａは、ゲート電極として機能する導電体５６０（導電体５６０ａ、および導電体５６０ｂ）と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物５３０（酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体５４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体５４２ｂと、絶縁体５７４とを有する。
【０１９７】
また、図１２に示すトランジスタ５１０Ａでは、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０が、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して配置される。また、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとの間に配置される。
【０１９８】
絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。
【０１９９】
層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０２００】
例えば、絶縁体５１１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５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１１は、水素原子、水素分子、水分子、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。また、例えば、絶縁体５１１として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１１よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。
【０２０１】
例えば、絶縁体５１２は、絶縁体５１１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。
【０２０２】
トランジスタ５１０Ａにおいて、導電体５６０は、ゲート電極として機能する場合がある。
【０２０３】
絶縁体５１４、および絶縁体５１６は、絶縁体５１１または絶縁体５１２と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体５１４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５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１４よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体５１６は、絶縁体５１４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。
【０２０４】
また、絶縁体５２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体５２２がバリア性を有することで、トランジスタ５１０Ａの周辺部からトランジスタ５１０Ａ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。
【０２０５】
絶縁体５２２は、例えば、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）、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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜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。
【０２０６】
例えば、絶縁体５２１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５２２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。
【０２０７】
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物５３０は、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の酸化物５３０ｃと、を有する。酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物５３０として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。
【０２０８】
なお、酸化物５３０ｃは、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。絶縁体５７４がバリア性を有する場合、絶縁体５８０からの不純物が酸化物５３０へと拡散することを抑制することができる。
【０２０９】
導電体５４２は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
【０２１０】
導電体５４２ａと、導電体５４２ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
【０２１１】
また、図１２では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
【０２１２】
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【０２１３】
また、導電体５４２上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体５７４を成膜する際に、導電体５４２が酸化することを抑制することができる。
【０２１４】
バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０２１５】
バリア層を有することで、導電体５４２の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４２に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
【０２１６】
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、酸化物５３０ｃ、および絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。
【０２１７】
トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体５５０は、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、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。また、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。
【０２１８】
ゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、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。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。
【０２１９】
導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
【０２２０】
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。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
【０２２１】
導電体５６０ｂ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５６０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５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０２２２】
絶縁体５８０と、トランジスタ５１０Ａとの間に絶縁体５７４を配置する。絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散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。また、他にも、例えば、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ることができる。
【０２２３】
絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。
【０２２４】
絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４は、層間膜として機能する。
【０２２５】
絶縁体５８２は、絶縁体５１４と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。
【０２２６】
また、絶縁体５８０、および絶縁体５８４は、絶縁体５１６と同様に、絶縁体５８２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。
【０２２７】
また、トランジスタ５１０Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４に埋め込まれた導電体５４６などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。
【０２２８】
また、導電体５４６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。例えば、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。
【０２２９】
例えば、導電体５４６としては、例えば、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。
【０２３０】
上記構造を有することで、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。
【０２３１】
＜トランジスタの構造例２＞
図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１３（Ａ）はトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１３（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。
【０２３２】
トランジスタ５１０Ｂはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。
【０２３３】
トランジスタ５１０Ｂは、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
【０２３４】
ゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、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。
【０２３５】
導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
【０２３６】
また、導電体５６０の上面および側面、絶縁体５５０の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁体５７４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散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。また、他にも、例えば、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ることができる。
【０２３７】
絶縁体５７４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５１０Ｂへ拡散することを抑制することができる。
【０２３８】
また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。
【０２３９】
また、バリア性を有する絶縁体５７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４６に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
【０２４０】
＜トランジスタの構造例３＞
図１４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１４（Ａ）はトランジスタ５１０Ｃの上面図である。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１４（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。
【０２４１】
トランジスタ５１０Ｃはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。
【０２４２】
図１４に示すトランジスタ５１０Ｃは、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ａが配置され、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ｂが配置されている。ここで、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）は、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）の上面および導電体５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電体５４７は、導電体５４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体５４７の膜厚は、少なくとも導電体５４２より厚いことが好ましい。
【０２４３】
図１４に示すトランジスタ５１０Ｃは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ５１０Ａよりも、導電体５４２を導電体５６０に近づけることができる。または、導電体５４２ａの端部および導電体５４２ｂの端部と、導電体５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５１０Ｃの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。
【０２４４】
また、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）は、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体５４６ａ（導電体５４６ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
【０２４５】
また、図１４に示すトランジスタ５１０Ｃは、絶縁体５４４の上に接して絶縁体５４５を配置する構成にしてもよい。絶縁体５４４としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体５８０側からトランジスタ５１０Ｃに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体５４５としては、絶縁体５４４に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体５４４としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。
【０２４６】
＜トランジスタの構造例４＞
図１５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１５（Ａ）はトランジスタ５１０Ｄの上面図である。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１５（Ｃ）は、図１５（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１５（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。
【０２４７】
トランジスタ５１０Ｄは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
【０２４８】
図１５（Ａ）乃至（Ｃ）では、酸化物５３０ｃ上に絶縁体５５０を有し、絶縁体５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電体５６０を有し、導電体５６０上に絶縁体５７０を有する。また、絶縁体５７０上に絶縁体５７１を有する。
【０２４９】
金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５５０と、導電体５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電体５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。
【０２５０】
なお、金属酸化物５５２は、ゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電体５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
【０２５１】
また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体５５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物５５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
【０２５２】
トランジスタ５１０Ｄにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
【０２５３】
金属酸化物５５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５１０Ｄのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電体５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電体５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体５５０、および金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電体５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、および導電体５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
【０２５４】
具体的には、金属酸化物５５２として、酸化物５３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物５５２として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０２５５】
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層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物５５２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。
【０２５６】
絶縁体５７０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５７０よりも上方からの酸素で導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体５７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体５６０および絶縁体５５０を介して、酸化物５３０に混入することを抑制することができる。
【０２５７】
絶縁体５７１はハードマスクとして機能する。絶縁体５７１を設けることで、導電体５６０の加工の際、導電体５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。
【０２５８】
なお、絶縁体５７１に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体５７０は設けなくともよい。
【０２５９】
絶縁体５７１をハードマスクとして用いて、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。
【０２６０】
また、トランジスタ５１０Ｄは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。
【０２６１】
領域５３１ａおよび領域５３１ｂの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。
【０２６２】
また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａおよび領域５３１ｂを形成することもできる。
【０２６３】
酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。
【０２６４】
絶縁体５７１および／または導電体５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａおよび／または領域５３１ｂと、導電体５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａまたは領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。
【０２６５】
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体５７５も絶縁体５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁体５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。
【０２６６】
また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの側面に絶縁体５７５を有する。絶縁体５７５は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体５７５に用いると、後の工程で絶縁体５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。
【０２６７】
また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５７４を有する。絶縁体５７４は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体５７４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
【０２６８】
なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体５７４が酸化物５３０および絶縁体５７５から水素および水を吸収することで、酸化物５３０および絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。
【０２６９】
＜トランジスタの構造例５＞
図１６（Ａ）乃至図１６（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１６（Ａ）はトランジスタ５１０Ｅの上面図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０２７０】
トランジスタ５１０Ｅは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
【０２７１】
図１６（Ａ）乃至図１６（Ｃ）では、導電体５４２を設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁体５７４の間に、絶縁体５７３を有する。
【０２７２】
図１６に示す、領域５３１（領域５３１ａ、および領域５３１ｂ）は、酸化物５３０ｂに下記の元素が添加された領域である。領域５３１は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。
【０２７３】
具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物５３０ｂを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１が形成される。なお、当該元素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。
【０２７４】
なお、酸化物５３０を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。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。当該元素の濃度は、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。
【０２７５】
特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。
【０２７６】
続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を積層して設けることで、領域５３１と、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０とが重畳する領域を設けることができる。
【０２７７】
具体的には、絶縁体５７４となる絶縁膜上に絶縁体５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁体５８０となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁体５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁体５７４、および絶縁体５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜の一部を除去することで、図１６に示すトランジスタを形成することができる。
【０２７８】
なお、絶縁体５７３、および絶縁体５７４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。
【０２７９】
図１６に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体５４２を設けないため、コストの低減を図ることができる。
【０２８０】
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。
【０２８１】
（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ＯＳ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。
【０２８２】
＜金属酸化物の構成＞
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。
【０２８３】
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、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、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。
【０２８４】
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。
【０２８５】
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。
【０２８６】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
【０２８７】
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。
【０２８８】
＜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。
【０２８９】
トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
【０２９０】
２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献２および非特許文献３で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
【０２９１】
また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見された（非特許文献４参照）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
【０２９２】
非特許文献５および非特許文献６では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
【０２９３】
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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
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。
【０２９６】
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、ＯＳ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。
【０２９７】
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。
【０２９８】
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。
【０２９９】
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。本発明の一形態の酸化物半導体は、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。
【０３００】
＜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。
【０３０１】
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。
【０３０２】
また、上記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、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献７に示されている。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（非特許文献８参照）。
【０３０３】
また、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利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献９参照）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
【０３０４】
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。
【０３０５】
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。
【０３０６】
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形成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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
＜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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
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。
【０３１１】
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。
【０３１２】
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。
【０３１３】
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形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【０３１４】
ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
【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。
【０３１６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一例として、電子部品、及び電子部品を具備する電子機器等について説明する。
【０３１７】
＜電子部品の作製方法例＞
図１７（Ａ）は、電子部品の作製方法例を示すフローチャートである。電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。この電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。そこで、本実施の形態では、その一例について説明することにする。
【０３１８】
トランジスタで構成される半導体装置は、組み立て工程（後工程）を経て、プリント基板に脱着可能な部品が複数合わさることで完成する。後工程については、図１７（Ａ）に示す各工程を経ることで完成させることができる。具体的には、前工程で得られる素子基板が完成（ステップＳ３１）した後、基板の裏面を研削する（ステップＳ３２）。この段階で基板を薄膜化することで、前工程での基板の反り等を低減し、部品としての小型化を図る。
【０３１９】
基板の裏面を研削して、基板を複数のチップに分離するダイシング工程を行う。そして、分離したチップを個々にピックアップしてリードフレーム上に搭載し接合する、ダイボンディング工程を行う（ステップＳ３３）。このダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接着は、樹脂による接着や、テープによる接着等、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、ダイボンディング工程は、インターポーザ上に搭載し接合してもよい。
【０３２０】
次いでリードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する、ワイヤーボンディングを行う（ステップＳ３４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。
【０３２１】
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂等で封止される、モールド工程が施される（ステップＳ３５）。モールド工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、機械的な外力による内蔵される回路部やワイヤーに対する損傷を低減することができ、また水分や埃による特性の劣化を低減することができる。
【０３２２】
次いでリードフレームのリードをメッキ処理する。そしてリードを切断及び成形加工する（ステップＳ３６）。このめっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。
【０３２３】
次いでパッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す（ステップＳ３７）。そして最終的な検査工程（ステップＳ３８）を経て電子部品が完成する（ステップＳ３９）。
【０３２４】
以上説明した電子部品は、上述の実施の形態で説明した半導体装置を含む構成とすることができる。そのため、消費電力の低減、及び小型化が図られた電子部品を実現することができる。
【０３２５】
完成した電子部品の斜視模式図を図１７（Ｂ）に示す。図１７（Ｂ）には、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図１７（Ｂ）に示すように、電子部品７００は、リード７０１及び回路部７０３を有する。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品７００が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで電子機器の内部に搭載することができる。完成した回路基板７０４は、電子機器等の内部に設けられる。例えば、電子部品７００は、データを記憶するランダムアクセスメモリ、および、ＭＣＵ（マイクロコントローラユニット）やＲＦＩＤタグ、等の各種の処理を実行するプロセッシングユニットとして用いることができる。
【０３２６】
よって、電子部品７００は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス（通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器）、ＡＳＩＣのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス（生物情報科学）、機械装置のエミュレータ、および電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器の電子部品（ＩＣチップ）に適用することが可能である。このような電子機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）を挙げることができる。その他に、本発明の一形態に係る電子部品を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、カメラ（ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等）、ウエアラブル型表示装置または端末（ヘッドマウント型、ゴーグル型、眼鏡型、腕章型、ブレスレッド型、ネックレス型等）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１８に示す。
【０３２７】
＜電子機器＞
図１８（Ａ）−図１８（Ｆ）は、表示部を備え、またバッテリーで駆動される電子機器の例である。
【０３２８】
図１８（Ａ）に示す携帯型ゲーム機９００は、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロホン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７等を有する。表示部９０３は、入力装置としてタッチスクリーンが設けられており、スタイラス９０８等により操作可能となっている。
【０３２９】
図１８（Ｂ）に示す情報端末９１０は、筐体９１１に、表示部９１２、マイク９１７、スピーカー部９１４、カメラ９１３、外部接続部９１６、および操作用のボタン９１５等を有する。表示部９１２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。情報端末９１０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ＰＣ、電子書籍端末等として用いることができる。
【０３３０】
図１８（Ｃ）に示すノート型ＰＣ９２０は、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、およびポインティングデバイス９２４等を有する。
【０３３１】
図１８（Ｄ）に示すビデオカメラ９４０は、筐体９４１、筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、および接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は筐体９４１に設けられており、表示部９４３は筐体９４２に設けられている。そして、筐体９４１と筐体９４２は、接続部９４６により接続されており、筐体９４１と筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体９４１に対する筐体９４２の角度によって、表示部９４３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。
【０３３２】
図１８（Ｅ）にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末９５０は、筐体９５１、および表示部９５２等を有する。表示部９５２は、曲面を有する筐体９５１に支持されている。表示部９５２には、可撓性基板が用いられ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９５０を提供することができる。
【０３３３】
図１８（Ｆ）に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末９６０は、筐体９６１、表示部９６２、バンド９６３、バックル９６４、操作ボタン９６５、入出力端子９６６などを備える。情報端末９６０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。
【０３３４】
表示部９６２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９６２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９６２に表示されたアイコン９６７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。操作ボタン９６５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９６０に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン９６５の機能を設定することもできる。
【０３３５】
また、情報端末９６０は、通信規格に準拠する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９６０は入出力端子９６６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９６６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９６６を介さずに無線給電により行ってもよい。
【０３３６】
図１８（Ｇ）に家庭用電気製品の一例として電気冷凍冷蔵庫を示す。電気冷凍冷蔵庫９７０は、筐体９７１、冷蔵室用扉９７２、および冷凍室用扉９７３等を有する。
【０３３７】
図１８（Ｈ）は、自動車の構成の一例を示す外観図である。自動車９８０は、車体９８１、車輪９８２、ダッシュボード９８３、およびライト９８４等を有する。
【０３３８】
本実施の形態に示す電子機器には、上掲の実施の形態に係る半導体装置を有する電子部品が搭載されている。よって、消費電力の低減された、または安定して動作が可能な電子機器を提供することが可能になる。
【０３３９】
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。
【０３４０】
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
【０３４１】
各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、本発明の一態様とすることができる。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、構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【０３４２】
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
【０３４３】
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
【０３４４】
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
【０３４５】
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【０３４６】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために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、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
【０３４７】
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【０３４８】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【０３４９】
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧（接地電圧）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
【０３５０】
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【０３５１】
本明細書等において、スイッチとは、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するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
【０３５２】
本明細書等において、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）とゲートとが重なる領域、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の間の距離をいう。
【０３５３】
本明細書等において、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。
【０３５４】
本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
【符号の説明】
【０３５５】
１００    半導体装置
１０１    Ｓｉトランジスタ層
１０２    ＯＳトランジスタ層
１０３    電源回路
１０４    入力回路
１１１    演算処理回路
１１２    タイマ
１１３    スイッチ
１２１    電源管理回路
１２２    メモリ回路
１２３    メモリ回路
１３０    入力回路
１３０Ａ    入力回路
１３０Ｂ    入力回路
１４０    ＡＮＤゲート回路
１４１    プログラマブルスイッチアレイ
１５０    ＯＲゲート回路
１５１    プログラマブルスイッチアレイ
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
５００    トランジスタ
５１０    絶縁体
５１０Ａ    トランジスタ
５１０Ｂ    トランジスタ
５１０Ｃ    トランジスタ
５１０Ｄ    トランジスタ
５１０Ｅ    トランジスタ
５１１    絶縁体
５１２    絶縁体
５１４    絶縁体
５１６    絶縁体
５１８    導電体
５２０    絶縁体
５２１    絶縁体
５２２    絶縁体
５２４    絶縁体
５３０    酸化物
５３０ａ    酸化物
５３０ｂ    酸化物
５３０ｃ    酸化物
５３１    領域
５３１ａ    領域
５３１ｂ    領域
５４０ａ    導電体
５４０ｂ    導電体
５４２    導電体
５４２ａ    導電体
５４２ｂ    導電体
５４３    領域
５４３ａ    領域
５４３ｂ    領域
５４４    絶縁体
５４５    絶縁体
５４６    導電体
５４６ａ    導電体
５４６ｂ    導電体
５４７    導電体
５４７ａ    導電体
５４７ｂ    導電体
５４８    導電体
５５０    絶縁体
５５２    金属酸化物
５６０    導電体
５６０ａ    導電体
５６０ｂ    導電体
５７０    絶縁体
５７１    絶縁体
５７３    絶縁体
５７４    絶縁体
５７５    絶縁体
５７６    絶縁体
５７６ａ    絶縁体
５７６ｂ    絶縁体
５８０    絶縁体
５８１    絶縁体
５８２    絶縁体
５８４    絶縁体
５８６    絶縁体
６００    容量素子
６１０    導電体
６１２    導電体
６２０    導電体
６３０    絶縁体
６５０    絶縁体
７００    電子部品
７０１    リード
７０２    プリント基板
７０３    回路部
７０４    回路基板
９００    携帯型ゲーム機
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロホン
９０６    スピーカー
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１０    情報端末
９１１    筐体
９１２    表示部
９１３    カメラ
９１４    スピーカー部
９１５    ボタン
９１６    外部接続部
９１７    マイク
９２１    筐体
９２２    表示部
９２３    キーボード
９２４    ポインティングデバイス
９４０    ビデオカメラ
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作キー
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５０    情報端末
９５１    筐体
９５２    表示部
９６０    情報端末
９６１    筐体
９６２    表示部
９６３    バンド
９６４    バックル
９６５    操作ボタン
９６６    入出力端子
９６７    アイコン
９７０    電気冷凍冷蔵庫
９７１    筐体
９７２    冷蔵室用扉
９７３    冷凍室用扉
９８０    自動車
９８１    車体
９８２    車輪
９８３    ダッシュボード
９８４    ライト
【図１】
2019201369.tif 000003
【図２】
2019201369.tif 000004
【図３】
2019201369.tif 000005
【図４】
2019201369.tif 000006
【図５】
2019201369.tif 000007
【図６】
2019201369.tif 000008
【図７】
2019201369.tif 000009
【図８】
2019201369.tif 000010
【図９】
2019201369.tif 000011
【図１０】
2019201369.tif 000012
【図１１】
2019201369.tif 000013
【図１２】
2019201369.tif 000014
【図１３】
2019201369.tif 000015
【図１４】
2019201369.tif 000016
【図１５】
2019201369.tif 000017
【図１６】
2019201369.tif 000018
【図１７】
2019201369.tif 000019
【図１８】
2019201369.tif 000020