(57)【要約】【課題】トランジスタ特性が変化する環境下であっても、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】センサと、システム制御回路と、電源制御回路と、記憶装置と、を有する。センサは、取得した第１のデータ信号をシステム制御回路に出力する機能を有する。システム制御回路は、第１のデータ信号に応じて、電源制御回路が出力する複数の電圧レベルを切り替えるための第２のデータ信号を出力する機能を有する。電源制御回路は、第２のデータ信号に応じて第１の電圧または第２の電圧のいずれか一方の電圧を記憶装置に出力する機能を有する。記憶装置は、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと、システム制御回路と、電源制御回路と、記憶装置と、を有し、
前記センサは、取得した第１のデータ信号を前記システム制御回路に出力する機能を有し、
前記システム制御回路は、前記第１のデータ信号に応じて、前記電源制御回路が出力する複数の電圧レベルを切り替えるための第２のデータ信号を出力する機能を有し、
前記電源制御回路は、前記第２のデータ信号に応じて前記電圧レベルのいずれか一を前記記憶装置に出力する機能を有し、
前記記憶装置は、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こと、を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
センサと、システム制御回路と、電源制御回路と、記憶装置と、プロセッサと、を有し、
前記センサは、取得した第１のデータ信号を前記システム制御回路に出力する機能を有し、
前記システム制御回路は、前記第１のデータ信号に応じて、前記電源制御回路が出力する複数の電圧レベルを切り替えるための第２のデータ信号、および前記プロセッサをアクティブ状態または休止状態を切り替えるための第３のデータ信号を出力する機能を有し、
前記電源制御回路は、前記第２のデータ信号または前記第３のデータ信号に応じて前記電圧レベルのいずれか一を前記記憶装置に出力する機能を有し、
前記記憶装置は、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こと、を特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記トランジスタは、前記トランジスタのソースに印加される電位、および前記トランジスタのドレインに印加される電位より、低い電位が印加されるゲート電極を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、
前記金属酸化物は、Ｉｎ（インジウム）またはＺｎ（亜鉛）の一方または双方を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一において、
前記金属酸化物は、Ｇａ（ガリウム）を含むことを特徴とする、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。
【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】
近年、車両の高性能化に伴い、センサやアクチュエータをいった装置が車両などに多数搭載されている。これらの装置は、信号を処理するための半導体装置によって電気的に制御される（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１５９７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
信号処理を行うための回路を備えた半導体装置は、トランジスタ等の素子で構成される。車両等に搭載される半導体装置は、例えば高温のエンジンから熱の影響を受ける。チャネル形成領域がシリコンで構成されるトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）では、信号処理を行うトランジスタが高温にさらされることで電気特性が変動する。電気特性の変動は、データの保持や、書き込みおよび読み出し、を行う記憶装置で起こる場合、問題となる。
【０００７】
熱の影響に対して電気特性の変動が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域が金属酸化物（酸化物半導体ともいう）で構成されるトランジスタ（ＯＳトランジスタ）がある。ＯＳトランジスタで構成される半導体装置は、２００℃といった高温下においてもスイッチング特性を維持することができる。
【０００８】
しかしながら、ＯＳトランジスタは高温下において、オン時に流れる電流（オン電流）は変化しにくいものの、オフ時に流れるリーク電流（オフ電流）が緩やかに増加する。そのため、高温下で良好なスイッチング特性を維持するためには、高電圧駆動（振幅電圧を大きくする）が望ましい。一方で、高温下でＯＳトランジスタに高電圧を印加すると、ＯＳトランジスタの劣化が加速されてしまうといった別の問題が生じる。また高温下でのＯＳトランジスタの劣化を抑制するために、低電圧駆動（振幅電圧を小さくする）によるＯＳトランジスタの制御を行う場合、十分なオン電流が得られないといった問題が生じる。
【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。
【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、センサと、システム制御回路と、電源制御回路と、記憶装置と、を有し、センサは、取得した第１の信号をシステム制御回路に出力する機能を有し、システム制御回路は、第１の信号に応じて、電源制御回路が出力する複数の電圧レベルを切り替えるための第２の信号を出力する機能を有し、電源制御回路は、第２の信号に応じて電圧レベルのいずれか一を記憶装置に出力する機能を有し、記憶装置は、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半導体装置である。
【００１２】
本発明の一態様は、センサと、システム制御回路と、電源制御回路と、記憶装置と、プロセッサと、を有し、センサは、取得した第１の信号をシステム制御回路に出力する機能を有し、システム制御回路は、第１の信号に応じて、電源制御回路が出力する複数の電圧レベルを切り替えるための第２の信号、およびプロセッサをアクティブ状態または休止状態を切り替えるための第３の信号を出力する機能を有し、電源制御回路は、第２の信号または第３の信号に応じて電圧レベルのいずれか一を記憶装置に出力する機能を有し、記憶装置は、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半導体装置である。
【００１３】
本発明の一態様において、トランジスタは、トランジスタのソースに印加される電位、およびトランジスタのドレインに印加される電位より、低い電位が印加されるゲート電極を有する半導体装置が好ましい。
【００１４】
本発明の一態様において、金属酸化物は、Ｉｎ（インジウム）またはＺｎ（亜鉛）の一方または双方を含む半導体装置が好ましい。
【００１５】
本発明の一態様において、金属酸化物は、Ｇａ（ガリウム）を含む半導体装置が好ましい。
【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。
【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】ＯＳトランジスタの電気特性を説明するグラフ。
【図３】ＯＳトランジスタの電気特性を説明する模式図。
【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波形図。
【図８】半導体装置の構成例を説明するブロック図および波形図。
【図９】半導体装置の構成例を説明するブロック図。
【図１０】半導体装置の構成例を説明する斜視図。
【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】電子装置の構成例を示す図。
【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は、半導体装置のブロック図である。半導体装置１００は、センサ１０１、システム制御回路１０２（単に制御回路ともいう）、電源制御回路１０３、記憶装置１０４および演算装置１０５を有する。
【００２７】
センサ１０１は、環境温度の測定ができるセンサ（温度センサ）の機能を有する。センサ１０１は、システム制御回路１０２の制御に応じて温度に応じたデータ信号Ｄｔをシステム制御回路１０２に出力する機能を有する。データ信号Ｄｔは、第１の信号、または温度データともいう。
【００２８】
なおセンサ１０１は、半導体装置１００周辺の温度をセンシングし、温度に応じたデータ信号Ｄｔを出力する機能を有する。センサ１０１としては、例えば、白金、ニッケルまたは銅などの測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、ＩＣ温度センサなどを用いることができる。
【００２９】
システム制御回路１０２は、データ信号Ｄｔを定期的に取得する機能を有する。システム制御回路１０２は、データ信号Ｄｔに応じて、電源制御回路１０３が出力する複数の電圧レベルを切り替えるためのデータ信号Ｄｃ１を出力する機能を有する。例えば、データ信号Ｄｔによって環境温度が高いと判定される場合、電源制御回路１０３が出力する複数の電圧レベルを記憶装置１０４の状態に応じて切り替える構成とする。またシステム制御回路１０２は、データ信号Ｄｔは、第２の信号、または切り替え信号ともいう。
【００３０】
なお環境温度が高いとは、８３℃以上、あるいは１２１℃以上、あるいは、１４４℃以上、あるいは１９２℃以上のことをいう。
【００３１】
またシステム制御回路１０２は、演算装置１０５のアクティブ状態または休止状態を切り替えるためのデータ信号Ｄｃ１を出力する機能を有する。なお演算装置１０５のアクティブ状態または休止状態を切り替える（パワーゲーティングともいう）ためのデータ信号は、データ信号Ｄｃ１とは異なる信号としてもよい。
【００３２】
電源制御回路１０３は、記憶装置１０４に与える、複数の電源電圧を切り替える機能を有する。複数の電源電圧としては、記憶装置１０４でのデータ保持のための電圧と、データアクセスを高速で行うための電圧と、の２種類の電圧レベルを例示して説明する。電源制御回路１０３における２種類の電圧レベルの切り替えは、環境温度が高い場合に信頼性の向上、および、消費電力の低減に対して、特に有効である。本発明の一態様において、その他の電圧を設定する構成としてもよい。
【００３３】
環境温度が高い場合、記憶装置１０４をＯＳトランジスタで構成する場合であっても、オフ時に流れるリーク電流（オフ電流）が緩やかに増加する。そのため、上述したように良好なスイッチング特性を維持するためには、高電圧駆動が望ましい。一方で、高温環境下で高い電圧をトランジスタに印加し続けると、トランジスタの電気特性、例えば閾値電圧等が加速度的に劣化することになる。そのため、本実施の形態の構成では、高温環境下において、データアクセス時に高電圧駆動とし、データ保持時に低電圧駆動とするよう記憶装置１０４に与える電源電圧を電源制御回路１０３で切り替える構成とする。
【００３４】
上記構成とすることで、高電圧を高温環境下でＯＳトランジスタを印加すると、ＯＳトランジスタの劣化が加速してしまうことを抑制できる。また、高温環境下で低電圧駆動とすることによるＯＳトランジスタの制御を行う場合に十分なオン電流が得られない場合であっても、データアクセス時には高電圧駆動に切り替える構成とするため、データの書き込みおよび読み出しが高速で行うことができる。
【００３５】
データアクセスのための電圧は、電圧ＶＤＤＨとグラウンド電圧ＧＮＤ（０Ｖ）とで与えられる電圧とする。またデータ保持のための電圧は、電圧ＶＤＤＬとグラウンド電圧ＧＮＤとで与えられる電圧とする。電圧ＶＤＤＨは、電圧ＶＤＤＬより大きい電圧とする。電圧ＶＤＤＬは、グラウンド電圧ＧＮＤより大きい電圧とする。環境温度に応じて、当該電圧レベルの切り替えを行う構成とすることで、高温環境下でのオフ電流の増大に伴う消費電力の増加、および記憶装置１０４における高温環境下でのスイッチング特性の低下とに伴う信頼性の低下、を抑制することができる。
【００３６】
記憶装置１０４は、演算装置１０５との間で入出力されるデータの保持を行う機能を有する。記憶装置１０４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（以下、ＯＳトランジスタ）で構成される。ＯＳトランジスタは、ｎチャネル型のトランジスタとして説明する。
【００３７】
ＯＳトランジスタで回路が構成される記憶装置１０４は、高温環境下においてもトランジスタのスイッチング特性を維持することができる。そのため、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。またＳｉトランジスタなどと比べて、高温環境下においてもスイッチング特性を維持できるため、別途冷却手段等が必要なく、半導体装置の小型化および低消費電力化を図ることができる。加えてＯＳトランジスタは、積層して設けることで、レイアウト面積の縮小を図ることができる。なお、ＯＳトランジスタの詳細は後述する実施の形態２等で説明を行う。
【００３８】
ＯＳトランジスタで回路が構成される記憶装置１０４は、スタティックＲＡＭ型（ＳＲＡＭ型）の回路構成を有する記憶装置であることが好ましい。ＳＲＡＭ型の回路では、ダイナミックＲＡＭ型（ＤＲＡＭ型）などと比べて、データの書き込みおよび読み出しを高速で行うことができ、演算装置１０５との間で良好なデータの授受を可能にすることができる。
【００３９】
演算装置１０５は、記憶装置１０４との間で入出力されるデータを用いた演算処理を行う機能を有する。演算装置１０５は、記憶装置１０４と同様に、ＯＳトランジスタで構成される。ＯＳトランジスタは、ｎチャネル型のトランジスタとして説明する。演算装置１０５は、プロセッサということもある。
【００４０】
演算装置１０５は、データの演算処理を行う際に必要なデータの読み出しおよび書き込みを記憶装置との間で行う。そのため、上述した電源制御回路１０３における２種類の電圧レベルの切り替えは、演算装置１０５を動作させるか否かに応じて切り替える構成とすることが好ましい。
【００４１】
本実施の形態の構成の半導体装置１００では、センサ１０１で取得した環境温度に関するデータ信号に応じて、システム制御回路１０２が出力するデータ信号によって記憶装置１０４に与える電源電圧の大きさを異ならせる構成とすることができる。複数の電源電圧としては、記憶装置１０４でのデータ保持のための電圧と、データアクセスを高速で行うための電圧と、の電圧レベルとする。高温環境下において、データアクセス時に高電圧駆動とし、データ保持時に低電圧駆動とするよう記憶装置１０４に与える電源電圧を電源制御回路１０３で切り替える構成とする。
【００４２】
上記構成とすることで、高電圧を高温環境下でＯＳトランジスタを印加すると、ＯＳトランジスタの劣化が加速してしまうことを抑制できる。また、高温環境下で低電圧駆動とすることによるＯＳトランジスタの制御を行う場合に十分なオン電流が得られない場合であっても、データアクセス時には高電圧駆動に切り替える構成とするため、データの書き込みおよび読み出しが高速で行うことができる。
【００４３】
本実施の形態の構成とすることで、環境温度の変化が著しい車両内のパワーデバイスなどを制御する際、制御するための半導体装置を温度変化の大きい装置に近傍に配置しても、消費電力の増加の抑制に加えて、良好なスイッチング特性を維持可能な半導体装置とすることができる。加えて高温環境下でのトランジスタ特性の劣化を抑制することができるため、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【００４４】
図２は、半導体装置１００を構成する各回路に適用可能な、ＯＳトランジスタのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）に対するソース−ドレイン間を流れる電流（Ｉｄｓ）、および電界効果移動度を表すグラフである。
【００４５】
図２に示すグラフでは、温度が２７℃、８３℃、１２１℃、１４４℃、１９２℃における電気特性の変動を図示している。図２に示すように温度が２７℃では、ゲートーソース間電圧（Ｖｇｓ）が０Ｖ時におけるソース−ドレイン間を流れる電流（Ｉｄｓ）が測定下限以下となる程度に小さい。
【００４６】
一方で図２に図示するように電圧Ｖｇｓの変化に対する電流Ｉｄｓの変化は、Ｖｇｓが大きい場合に変動が小さいものの、Ｖｇｓが０Ｖに近づくとともに高温になるほど変動が大きくなる。つまりＶｇｓが０Ｖのときに流れる電流が高温になるほど大きくなる。ＯＳトランジスタでは、２００℃以上となってもスイッチング特性を維持できるものの、Ｓｉトランジスタでは高温下で特性変動がより大きいためスイッチング特性を維持することが困難である。
【００４７】
図３（Ａ）は、図２で説明した、温度変化に対する電気特性の変化を模式的に示すグラフである。上述したようにＯＳトランジスタは、高温環境下においてＶｇｓが０Ｖのときに流れる電流が増加する。このトランジスタの電気特性の変動によって、良好なスイッチング特性を維持できず、半導体装置の信頼性が低下してしまう。一方で高温環境下において、高い電源電圧でもってトランジスタの制御を行うことは、トランジスタの電気特性の劣化を加速させ、半導体装置の性能を著しく低下させることになる。
【００４８】
本実施の形態の構成の半導体装置１００における電源制御回路１０３の動作によって、記憶装置１０４に印加される電源電圧は、図３（Ｂ）に模式的に示す電圧となる。つまり、高温環境下において、データアクセス時に高電圧駆動とするように電源電圧を図３（Ｂ）の範囲１０６となるように設定し、データ保持時に低電圧駆動とするように電源電圧を図３（Ｂ）の範囲１０７となるように設定する。すなわち、データ保持のための電圧を電圧ＶＤＤＬとグラウンド電圧ＧＮＤとで与えられる電圧とし、データアクセスのための電圧を電圧ＶＤＤＨとグラウンド電圧ＧＮＤとで与えられる電圧とする。
【００４９】
次いで、上述した電源制御回路１０３の動作に伴う、記憶装置１０４内の動作について説明する。図４（Ａ）は、記憶装置１０４内の記憶素子の回路図である。図４（Ａ）では、ＳＲＡＭ型の記憶素子を図示している。図４（Ａ）では、ビット線ＢＬ、反転ビット線ＢＬＢに接続されたスイッチ１１１、データを保持するためのインバータ回路１１２でインバータループを構成している回路図を図示している。
【００５０】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）で図示したスイッチ１１１をトランジスタ１１３、１１４に置き換えた回路図である。トランジスタ１１３、１１４は、は、ｎチャネル型のトランジスタで構成される。トランジスタ１１３、１１４は、ワード線ＷＬに与えるワード信号によってオンまたはオフが制御される。
【００５１】
また図４（Ｃ）は、図４（Ａ）で図示したインバータ回路１１２をトランジスタ１１３乃至１１６に置き換えた回路図である。図４（Ｃ）は、ｎチャネル型のトランジスタで構成される回路であり、入力端子ＩＮの信号を反転した信号とて出力端子ＯＵＴに出力する擬似的なインバータ回路である。
【００５２】
図５（Ａ）には、電源制御回路１０３の具体的な回路構成について図示している。図５（Ａ）に図示する電源制御回路１０３は、トランジスタ１２１、１２２およびインバータ回路１２３を有する。トランジスタ１２１のゲートおよびインバータ回路１２３の入力端子には、データ信号Ｄｃ１が入力される。トランジスタの１２２のゲートには、インバータ回路１２３の出力端子から出力されるデータ信号Ｄｃ１の論理が反転した信号が入力される。トランジスタ１２１のソース又はドレインの一方には、電圧ＶＤＤＨが与えられる。トランジスタ１２２のソース又はドレインの一方には、電圧ＶＤＤＬが与えられる。トランジスタ１２１のソース又はドレインの他方、およびトランジスタ１２２のソース又はドレインの他方は、記憶装置１０４に接続される。当該構成とすることで、データ信号Ｄｃ１に応じて記憶装置１０４の電源電圧の切り替えを行うことができる。
【００５３】
電源制御回路１０３で切り替えられた電源電圧は、記憶装置１０４が有するインバータ回路１２３の電源電圧として与えられる。例えば図５（Ｂ）に示すように、高温環境下では、データアクセス時に高電圧駆動となるように電源電圧ＶＤＤＨを与える。また図５（Ｃ）に示すように、高温環境下では、データ保持時に低電圧駆動となるように電源電圧ＶＤＤＬを与える。データ保持時において電源電圧ＶＤＤＬは、インバータ回路１１２の入出力論理がノイズ等の要因によって、誤った論理変化を発生しない程度まで低下させることができる。
【００５４】
図５（Ｂ）、（Ｃ）の構成をデータアクセス時とデータ保持時とで切り替えることにより、インバータ回路１１２で入出力される信号の振幅電圧を切り替えることができる。
【００５５】
データアクセス時における、インバータ回路１１２の入力端子に与えられるローレベルの信号をＳＬ＿ＡＣＣとすると、高温環境下においては、図６（Ａ）に示すようにトランジスタ１１５に印加されるＶｇｓが大きくなり、流れる電流ＩＨが増大して、ハイレベルの信号ＳＨ＿ＡＣＣが出力端子ＯＵＴより出力される。データアクセス時における、インバータ回路１１２の入力端子に与えられる信号がＳＨ＿ＡＣＣとすると、高温環境下においては、図６（Ｂ）に示すようにトランジスタ１１６に印加されるＶｇｓが大きくなり、流れる電流ＩＨが増大して、ＳＬ＿ＡＣＣが出力端子ＯＵＴより出力される。
【００５６】
同様に、データ保持時における、インバータ回路１１２の入力端子に与えられるローレベルの信号をＳＬ＿ＳＴＢ、とすると、高温環境下においては、図６（Ｃ）に示すようにトランジスタ１１５に印加されるＶｇｓが図６（Ａ）の状態よりも小さくなり、流れる電流ＩＬが減少するものの、ハイレベルの信号ＳＨ＿ＳＴＢが出力端子ＯＵＴより出力される。データ保持時における、インバータ回路１１２の入力端子に与えられるハイレベルの信号をＳＨ＿ＳＴＢとすると、高温環境下においては、図６（Ｂ）に示すようにトランジスタ１１６に印加されるＶｇｓが大きくなり、流れる電流ＩＬが図６（Ｂ）の状態よりも減少するものの、ＳＬ＿ＳＴＢが出力端子ＯＵＴより出力される。
【００５７】
また図７は、図６で説明した信号ＳＬ＿ＡＣＣ、信号ＳＨ＿ＡＣＣ、信号ＳＬ＿ＳＴＢ、信号ＳＨ＿ＳＴＢにおける電位の大小関係を表す波形図である。図７に図示するように、信号ＳＬ＿ＡＣＣおよび信号ＳＨ＿ＡＣＣは、図３（Ｂ）における範囲１０６の振幅電圧を有する信号に相当する。また信号ＳＬ＿ＳＴＢおよび信号ＳＨ＿ＳＴＢは、図３（Ｂ）における範囲１０７の振幅電圧を有する信号に相当する。データアクセス時に高電圧駆動とし、データ保持時に低電圧駆動とするよう記憶装置１０４に与える電源電圧を電源制御回路１０３で切り替える構成となる。
【００５８】
上記構成とすることで、高電圧を高温環境下でＯＳトランジスタに印加すると、ＯＳトランジスタの劣化が加速してしまうことを抑制できる。また、高温環境下で低電圧駆動とすることによるＯＳトランジスタの制御を行う場合に十分なオン電流が得られない場合であっても、データアクセス時には高電圧駆動に切り替える構成とするため、データの書き込みおよび読み出しが高速で行うことができる。
【００５９】
なお上述した電源電圧の切り替えを行うことで電気特性の変動を抑制することができるものの、高温環境下でのオフ電流の増加を抑制することが難しい。つまり、ＯＳトランジスタは、高温になるほど、しきい値電圧がマイナスにシフトし、サブスレッショルド係数が増大する。その結果、ソースに対するゲートの電圧が０Ｖの時のソースとドレインとの間に流れる電流（カットオフ電流ともいう）が増加する。
【００６０】
そこで、トランジスタが非導通時（オフ状態）にゲートに印加する電位を、トランジスタのソースまたはドレインに印加される電位より低い電位とすることで、高温の動作環境においても、ソースとドレインとの間に流れる電流を低い状態とする。具体的には、電源制御回路１０３において、ＶＤＤＨとＶＤＤＬの２種類の電圧の他、トランジスタが非導通時（オフ状態）にゲートに印加する電位を、グラウンド電位（ＶＳＳ）の他にＶＳＳより低い、低電源電位ＶＬＬとすることで、高温の動作環境においても、ソースとドレインとの間に流れる電流を低い状態とする。
【００６１】
すなわち、ＯＳトランジスタが非導通時（オフ状態）にゲートに印加する電位を、ソースまたはドレインに印加される電位より低い電位とすることで、高温の動作環境においても、ＯＳトランジスタのオフ電流が非常に小さいという性質を利用することができる。
【００６２】
例えば図８（Ａ）に図示するように電源制御回路１０３において、グラウンド電位ＧＮＤ（ＶＳＳ）の他にＶＳＳより低い、低電源電位ＶＬＬを用意し、記憶装置１０４に与える電圧を細かく切り替える構成とすることが好適である。
【００６３】
図８（Ａ）の構成とすることにより、図７とは異なる複数の電圧レベルをデータアクセス時あるいはデータ保持時に応じて切り替えて用いることができる。例えば図８（Ｂ）は、図７と同様の信号ＳＬ＿ＡＣＣ、信号ＳＨ＿ＡＣＣ、信号ＳＬ＿ＳＴＢ、信号ＳＨ＿ＳＴＢにおける電位の大小関係を表す波形図であるが、図７と異なる点として、信号ＳＬ＿ＳＴＢおよび信号ＳＨ＿ＳＴＢのローレベルの信号をグラウンド電位（ＶＳＳ）よりも小さい低減電電位ＶＬＬとなるよう切り替える構成としている。
【００６４】
上記構成とすることで、高温の動作環境においても、ＯＳトランジスタのオフ電流が非常に小さいという性質を利用することができる。
【００６５】
図９（Ａ）は図１とは異なる構成について説明するためのブロック図である。システム制御回路１０２によるシステム制御構成は、電源制御回路１０３の制御信号Ｄｃ１とは異なるパワーゲーティング用の信号Ｄｃ２を演算装置１０５のパワーゲーティング動作と組み合わせる構成としてもよい。例えばパワーゲーティング時に上述したデータ保持時と同じ電源電圧を記憶装置１０４に与える構成とし、非パワーゲーティング時に上述したデータアクセス時と同じ電源電圧を記憶装置１０４に与える構成とすることも有効である。
【００６６】
図９（Ｂ）は、図１とは異なる構成について説明するためのブロック図である。演算装置１０５は、センサ１０１や記憶装置１０４が集まるブロックとは、別構成としてもよい。
【００６７】
図１０では、上記半導体装置が制御システム用のＩＣに組み込まれる一例を示す。
【００６８】
図１０（Ａ）に、半導体装置を組み込んだＩＣの一例を示す。図１０（Ａ）に示すＩＣ７０００Ａは、リード７００１及び回路部７００３Ａを有する。ＩＣ７０００Ａは、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３Ａには、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイあるいは複数のダイに分割されて設けられている。回路部７００３Ａは、ＯＳトランジスタ層７０３１、配線層７０３２に大別される。
【００６９】
なおＯＳトランジスタ層は、単層でもよいし、配線層を挟んで積層する構成としてもよい。具体的に図１０（Ｂ）に、半導体装置を組み込んだＩＣの別の例を示す。図１０（Ｂ）に示すＩＣ７０００Ｂは、リード７００１及び回路部７００３Ｂを有する。ＩＣ７０００Ｂは、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３Ｂには、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイ、あるいは複数のダイに分割されて設けられている。回路部７００３Ａは、ＯＳトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３１は、配線層７０３２を介して、ＯＳトランジスタ層７０３３に接続される。ＯＳトランジスタ層７０３３上には、別の配線層を介して、さらに別のＯＳトランジスタ層を配置する構成とすることも可能である。複数のＯＳトランジスタ層を積層して設けることができるため、回路部７００３Ｂの小型化が容易である。
【００７０】
図１０（Ａ）、（Ｂ）では、ＩＣ７０００Ａ、７０００ＢのパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
【００７１】
以上のように、本実施の形態の構成の半導体装置１００では、センサ１０１で取得した環境温度に応じてシステム制御回路１０２が出力するデータ信号を切り替えて、記憶装置１０４に与える電源電圧の大きさを異ならせる構成とすることができる。複数の電源電圧としては、記憶装置１０４でのデータ保持のための電圧と、データアクセスを高速で行うための電圧と、の電圧レベルとする。高温環境下において、データアクセス時に高電圧駆動とし、データ保持時に低電圧駆動とするよう記憶装置１０４に与える電源電圧を電源制御回路１０３で切り替える構成とする。
【００７２】
上記構成とすることで、高電圧を高温環境下でＯＳトランジスタを印加すると、ＯＳトランジスタの劣化が加速してしまうことを抑制できる。また、高温環境下で低電圧駆動とすることによるＯＳトランジスタの制御を行う場合に十分なオン電流が得られない場合であっても、データアクセス時には高電圧駆動に切り替える構成とするため、データの書き込みおよび読み出しが高速で行うことができる。
【００７３】
本実施の形態の構成とすることで、環境温度の変化が著しい車両内のパワーデバイスなどを制御する際、制御するための半導体装置を温度変化の大きい装置に近傍に配置しても、消費電力の増加の抑制に加えて、良好なスイッチング特性を維持可能な半導体装置とすることができる。加えて高温環境下でのトランジスタ特性の劣化を抑制することができるため、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【００７４】
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。
【００７５】
（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半導体装置に適用可能なＯＳトランジスタの構成例について説明する。
【００７６】
＜トランジスタの構造例＞
図１１（Ａ）乃至（Ｃ）は、一例として図示するＯＳトランジスタであるトランジスタ５００の断面図である。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。
【００７７】
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、２００℃といった高温環境下においても、良好なスイッチング特性を取り得ることができるため、高温環境下においても信頼性に優れた半導体装置とすることが可能である。加えて、オフ電流の低減を図ることが可能であるため、高温環境下においても低消費電力化が図られた半導体装置とすることが可能である。
【００７８】
図１１（Ａ）乃至（Ｃ）に示す断面図では、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。
【００７９】
例えば、絶縁体５１４には、例えば、下層の基板などから、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。
【００８０】
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。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。
【００８１】
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。
【００８２】
また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６には、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。
【００８３】
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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、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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
＜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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
＜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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
＜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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
＜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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、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。
【０１９４】
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２３０に混入することを抑制することができる。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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２３０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２３０および絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。
【０２０７】
＜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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
（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半導体装置を用いることができる製品イメージ、および電子装置の一例について説明する。
【０２２０】
本発明の一形態に係わる半導体装置は、様々な電子機器に搭載することができる。特に、本発明の一形態に係わる半導体装置は、高温環境下での取り扱いが想定される電子装置内の制御システム用のＩＣとして用いることができる。電子装置の例としては、例えば車両などの移動体の他、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
【０２２１】
図１７に、電子装置の例を示す。
【０２２２】
図１７（Ａ）は移動体の一例である自動車５７００を示す図である。上記実施の形態で説明した半導体装置は、自動車５７００内のセンサやアクチュエータをいった装置を制御する制御システムに用いることができる。
【０２２３】
図１７（Ｂ）は移動体の一例である電動二輪車５８００を示す図である。上記実施の形態で説明した半導体装置は、電動二輪車５８００内のセンサやアクチュエータをいった装置を制御する制御システム、あるいはバッテリーのマネジメントシステムに用いることができる。
【０２２４】
なお、上述では、移動体の一例として自動車、電動二輪車について説明しているが、移動体は自動車、電動二輪車に限定されない。例えば、移動体としては、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形態に係わる半導体装置を適用することができる。
【０２２５】
図１７（Ｃ）は、電子装置の一例である電子レンジ５９００を示している。上記実施の形態で説明した半導体装置は、電子レンジ５９００内の電流を流すためのパワーデバイスを制御するための制御用ＩＣ等に用いることができる。
【０２２６】
図１７（Ｄ）は、電子装置の一例である電気冷凍冷蔵庫６０００を示している。上記実施の形態で説明した半導体装置は、電気冷凍冷蔵庫６０００内の電流を流すためのパワーデバイスを制御するための制御用ＩＣ等に用いることができる。
【０２２７】
本一例では、電子装置として電子レンジ、電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電子装置としては、例えば、掃除機、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
【０２２８】
本発明の一形態に係わる半導体装置は、温度の高い環境においても信頼性に優れた動作を可能にするとともに、低消費電力化を図ることができる。上記の各種電子装置に、本発明の一形態に係わる半導体装置を用いることにより、温度の高い環境においても低い環境においても確実に動作することができる、信頼性の高い電子装置を提供することができる。また、電子装置の低消費電力化を図ることができる。
【０２２９】
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。
【０２３０】
（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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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。
【０２４２】
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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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】
【０２４５】
１００    半導体装置
１０１    センサ
１０２    システム制御回路
１０３    電源制御回路
１０４    記憶装置
１０５    演算装置
１０６    範囲
１０７    範囲
１１１    スイッチ
１１２    インバータ回路
１１３    トランジスタ
１１４    トランジスタ
１１５    トランジスタ
１１６    トランジスタ
１２１    トランジスタ
１２２    トランジスタ
１２３    インバータ回路
２３０    酸化物
３００    トランジスタ
５００    トランジスタ
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
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
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
５７００    自動車
５８００    電動二輪車
５９００    電子レンジ
６０００    電気冷凍冷蔵庫
７０００Ａ    ＩＣ
７０００Ｂ    ＩＣ
７００１    リード
７００２    プリント基板
７００３Ａ    回路部
７００３Ｂ    回路部
７００４    実装基板
７０３１    ＯＳトランジスタ層
７０３２    配線層
７０３３    ＯＳトランジスタ層
【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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