(57)【要約】新規な記憶装置、新規な半導体装置を提供する。制御回路の上方に、複数のメモリセルを含むセルアレイが積層して設けられた記憶装置であって、セルアレイは複数のブロック毎に動作する。また、制御回路とセルアレイの間には、複数の電極を有する。電極は、ブロック毎かつブロックと重なるように設けられ、ブロック毎に電極の電位を変えることができる。電極は、メモリセルに含まれるトランジスタのバックゲートとしての機能を有し、ブロック毎に電極の電位を変えることで、メモリセルに含まれるトランジスタの電気特性を変化させることができる。また、電極は、制御回路で生じるノイズを低減することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１乃至第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の電極と、
第１および第２の回路と、を有し、
前記第１の回路と、前記第２の回路は、複数の配線を介して電気的に接続され、
前記第２の回路は、第１乃至第Ｎの領域を有し、
前記第１乃至第Ｎの領域は、それぞれ、第１トランジスタを有し、
前記第１乃至第Ｎの領域において、第Ｋ（Ｋは１以上Ｎ以下の整数）の前記領域は、第Ｋの前記電極を介して、前記第１の回路と重なる領域を有し、
前記第Ｋの電極は、前記第Ｋの領域が有する前記第１トランジスタのバックゲートとして機能する、半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
第１乃至第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電位のいずれかが、前記第１乃至第Ｎの電極のそれぞれに印加され、
前記第１乃至第Ｍの電位は、互いに異なる、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記第１トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、
前記層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記第１の回路は、第２トランジスタを有し、
前記第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する、半導体装置。
【請求項６】
第１乃至第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の電極と、
制御回路と、
セルアレイと、を有し、
前記制御回路は、前記セルアレイを制御する機能を有し、
前記セルアレイは、第１乃至第Ｎの領域を有し、
前記第１乃至第Ｎの領域は、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルは、それぞれ、第１トランジスタおよび容量素子を有し、
前記第１乃至第Ｎの領域において、第Ｋ（Ｋは１以上Ｎ以下の整数）の前記領域は、第Ｋの前記電極を介して、前記第１の回路と重なる領域を有し、
前記第Ｋの電極は、前記第Ｋの領域において、前記メモリセルが有する前記第１トランジスタのバックゲートとして機能する、記憶装置。
【請求項７】
請求項６において、
第１乃至第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電位のいずれかが、前記第１乃至第Ｎの電極のそれぞれに印加され、
前記第１乃至第Ｍの電位は、互いに異なる、記憶装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、
前記第１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、記憶装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、
前記第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、
前記層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である、記憶装置。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第１の回路は、第２トランジスタを有し、
前記第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する、記憶装置。
【請求項１１】
第１および第２の電極と、
制御回路と、
セルアレイと、を有し、
前記制御回路は、前記セルアレイを制御する機能を有し、
前記セルアレイは、第１および第２の領域を有し、
前記第１および第２の領域は、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルは、それぞれ、第１トランジスタおよび容量素子を有し、
前記第１の領域は、前記第１の電極を介して、前記制御回路と重なる領域を有し、
前記第２の領域は、前記第２の電極を介して、前記制御回路と重なる領域を有し、
前記第１の電極は、前記第１の領域において、前記メモリセルが有する前記第１トランジスタのバックゲートとして機能し、
前記第２の電極は、前記第２の領域において、前記メモリセルが有する前記第１トランジスタのバックゲートとして機能する、記憶装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記第１の電極に印加される電位と、前記第２の電極に印加される電位は、異なる、記憶装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、
前記第１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、記憶装置。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項において、
前記第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、
前記層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である、記憶装置。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項において、
前記制御回路は、第２トランジスタを有し、
前記第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する、記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明の一形態は、記憶装置に関する。特に、半導体特性を利用することで機能しうる記憶装置に関する。【０００２】また、本発明の一形態は、半導体装置に関する。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。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品、集積回路を備えた電子機器は、半導体装置の一例である。【０００３】なお、本発明の一形態は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
【背景技術】
【０００４】ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、各種電子機器に、記憶装置（メモリともいう）として広く用いられている。ＤＲＡＭのメモリセルに、酸化物半導体を用いたトランジスタ（酸化物半導体トランジスタ、ＯＳトランジスタともいう）を適用した例が、特許文献１および非特許文献１に示されている。【０００５】酸化物半導体トランジスタは、オフ状態でのリーク電流（オフ電流）が非常に小さいため、酸化物半導体トランジスタをＤＲＡＭのメモリセルに適用することで、記憶内容を長期にわたり保持することができる。すなわち、リフレッシュ頻度が少なく、消費電力の少ないＤＲＡＭを作製することができる。【０００６】また、酸化物半導体トランジスタは、薄膜トランジスタであり、積層して設けることができる。例えば、単結晶シリコン基板に形成したＳｉトランジスタを用いて周辺回路を構成し、その上方に形成した酸化物半導体トランジスタを用いてメモリセルを構成することで、チップ面積を削減することができる。【０００７】本明細書等では、酸化物半導体トランジスタがメモリセルに適用されたＤＲＡＭを、「酸化物半導体ＤＲＡＭ」、または、「ＤＯＳＲＡＭ（登録商標、Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ、ドスラム）」と呼ぶ。【０００８】一方、酸化物半導体は、トランジスタに適用可能な半導体として、近年注目されている。酸化物半導体として、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛など、一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯともいう）に関する研究が盛んに行われている。【０００９】ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造、およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献２乃至非特許文献４参照）。【００１０】非特許文献２および非特許文献３では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いて、トランジスタを作製する技術が開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献５および非特許文献６に示されている。【００１１】非特許文献７では、酸化物半導体を用いたトランジスタの、オフ電流が非常に小さいことが報告され、非特許文献８および非特許文献９では、オフ電流が非常に小さい性質を利用した、ＬＳＩおよびディスプレイが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１２−２５６８２０号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｔ．Ｏｎｕｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，”ＤＲＡＭ  ｗｉｔｈ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｏｆ  ３．９ｆＦ  ｕｓｉｎｇ  ＣＡＡＣ−ＯＳ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｌ  ｏｆ  ６０ｎｍ  ａｎｄ  ｈａｖｉｎｇ  Ｍｏｒｅ  Ｔｈａｎ  １−ｈ  Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”，Ｅｘｔ．Ａｂｓｔｒ．ＳＳＤＭ，２０１４，ｐｐ．４３０−４３１．
【非特許文献２】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ４３，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．１８３−１８６
【非特許文献３】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ５３，Ｎｕｍｂｅｒ  ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
【非特許文献４】Ｓ．Ｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＭ−ＦＰＤ’１３  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１３，ｐ．１５１−１５４
【非特許文献５】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“ＥＣＳ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ３，ｉｓｓｕｅ  ９，ｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２
【非特許文献６】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，“ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ  ６４，ｉｓｓｕｅ  １０，ｐ．１５５−１６４
【非特許文献７】Ｋ．Ｋａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ  ５１，ｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７
【非特許文献８】Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“２０１５  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１５，ｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７
【非特許文献９】Ｓ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，“ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ”，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ  ４１，ｉｓｓｕｅ  １，ｐ．６２６−６２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】上述のように、単結晶シリコン基板に形成したＳｉトランジスタを用いて周辺回路を構成し、その上方に形成した酸化物半導体トランジスタを用いてメモリセルを構成した場合、周辺回路が動作することによるノイズがメモリセルに影響することがあった。【００１５】すなわち、単結晶シリコン基板など半導体基板に形成したトランジスタを用いて第１の回路を構成し、その上方に形成した酸化物半導体トランジスタを用いて第２の回路を構成した場合、第１の回路が動作することによるノイズが第２の回路に、または、第２の回路が動作することによるノイズが第１の回路に影響する可能性があった。【００１６】本発明の一形態は、単結晶シリコン基板に構成した周辺回路の上方に、酸化物半導体トランジスタを用いたメモリセルを積層して設けた記憶装置において、周辺回路が動作することによるノイズがメモリセルに影響する程度を低減することを課題の一つとする。【００１７】または、本発明の一形態は、半導体基板に構成した第１の回路の上方に、酸化物半導体トランジスタを用いた第２の回路を積層して設けた半導体装置において、第１の回路が動作することによるノイズが第２の回路に、または、第２の回路が動作することによるノイズが第１の回路に影響する程度を低減することを課題の一つとする。【００１８】または、本発明の一形態は、上述の記憶装置、または、上述の半導体装置を有する電子機器を提供することを課題の一つとする。【００１９】なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】本発明の一形態は、第１乃至第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の電極と、第１および第２の回路とを有する半導体装置である。第１の回路と第２の回路は、複数の配線を介して電気的に接続され、第２の回路は、第１乃至第Ｎの領域を有する。第１乃至第Ｎの領域は、それぞれ第１トランジスタを有し、第１乃至第Ｎの領域において、第Ｋ（Ｋは１以上Ｎ以下の整数）の領域は、第Ｋの電極を介して、第１の回路と重なる領域を有する。第Ｋの電極は、第Ｋの領域が有する第１トランジスタのバックゲートとして機能する。【００２１】また、上記形態において、第１乃至第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電位のいずれかが、第１乃至第Ｎの電極のそれぞれに印加され、第１乃至第Ｍの電位は、互いに異なる。【００２２】また、上記形態において、第１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。【００２３】また、上記形態において、第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である。【００２４】また、上記形態において、第１の回路は、第２トランジスタを有し、第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する。【００２５】また、本発明の一形態は、第１乃至第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の電極と、制御回路と、セルアレイとを有する記憶装置である。制御回路は、セルアレイを制御する機能を有し、セルアレイは、第１乃至第Ｎの領域を有する。第１乃至第Ｎの領域は、それぞれ複数のメモリセルを有し、メモリセルは、それぞれ第１トランジスタおよび容量素子を有し、第１乃至第Ｎの領域において、第Ｋ（Ｋは１以上Ｎ以下の整数）の領域は、第Ｋの電極を介して、第１の回路と重なる領域を有する。第Ｋの電極は、第Ｋの領域において、メモリセルが有する第１トランジスタのバックゲートとして機能する。【００２６】また、上記形態において、第１乃至第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電位のいずれかが、第１乃至第Ｎの電極のそれぞれに印加され、第１乃至第Ｍの電位は、互いに異なる。【００２７】また、上記形態において、第１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。【００２８】また、上記形態において、第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である。【００２９】また、上記形態において、第１の回路は、第２トランジスタを有し、第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する。【００３０】また、本発明の一形態は、第１および第２の電極と、制御回路と、セルアレイとを有する記憶装置である。制御回路は、セルアレイを制御する機能を有し、セルアレイは、第１および第２の領域を有する。第１および第２の領域は、それぞれ複数のメモリセルを有し、メモリセルは、それぞれ第１トランジスタおよび容量素子を有し、第１の領域は、第１の電極を介して制御回路と重なる領域を有し、第２の領域は、第２の電極を介して制御回路と重なる領域を有する。第１の電極は、第１の領域においてメモリセルが有する第１トランジスタのバックゲートとして機能し、第２の電極は、第２の領域においてメモリセルが有する第１トランジスタのバックゲートとして機能する。【００３１】また、上記形態において、第１の電極に印加される電位と、第２の電極に印加される電位は、異なる。【００３２】また、上記形態において、第１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。【００３３】また、上記形態において、第１トランジスタは、シリコンおよび窒素を含む層と重なり、層の抵抗率は１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下である。【００３４】また、上記形態において、制御回路は、第２トランジスタを有し、第２トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する。
【発明の効果】
【００３５】本発明の一形態により、単結晶シリコン基板に構成した周辺回路の上方に、酸化物半導体トランジスタを用いたメモリセルを積層して設けた記憶装置において、周辺回路が動作することによるノイズがメモリセルに影響する程度を低減することができる。【００３６】または、本発明の一形態により、半導体基板に構成した第１の回路の上方に、酸化物半導体トランジスタを用いた第２の回路を積層して設けた半導体装置において、第１の回路が動作することによるノイズが第２の回路に、または、第２の回路が動作することによるノイズが第１の回路に影響する程度を低減することができる。【００３７】または、本発明の一形態により、上述の記憶装置、または、上述の半導体装置を有する電子機器を提供することができる。【００３８】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。また、本発明の一形態は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】メモリの構成例を示す斜視概略図。
【図２】メモリの構成例を示すブロック図。
【図３】（Ａ）メモリセルアレイの構成例を示す上面図、（Ｂ）メモリセルの構成例を示す回路図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）メモリセルの構成例を示す回路図。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）導電層の形状の例を示す上面図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）導電層の形状の例を示す上面図。
【図７】導電層とトランジスタの位置関係を示す上面図。
【図８】メモリの構成例を示す斜視概略図。
【図９】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１１】（Ａ）トランジスタの構造例を示す上面図、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１２】（Ａ）トランジスタの構造例を示す上面図、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１３】（Ａ）トランジスタの構造例を示す上面図、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１４】（Ａ）トランジスタの構造例を示す上面図、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１５】（Ａ）トランジスタの構造例を示す上面図、（Ｂ）、（Ｃ）トランジスタの構造例を示す断面図。
【図１６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ１）、（Ｅ２）電子機器の構成例を示す図。
【図１７】（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの断面を示す図。
【図１８】（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの電気特性を示す図。
【図１９】（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの電気特性を示す図。
【図２０】（Ａ）トランジスタのしきい値電圧を示す図、（Ｂ）トランジスタのしきい値電圧の変化量とサブスレッショルド係数を示す図。
【図２１】トランジスタの容量モデルを示す図。
【図２２】（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの電気特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる形態で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００４１】また、以下に示される複数の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。また、１つの実施の形態の中に複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【００４２】なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
【００４３】また、図面等において、大きさ、層の厚さ、領域等は、明瞭化のため誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。
【００４４】また、図面等において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００４５】また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００４６】また、本明細書等において、「上」や「下」などの配置を示す用語は、構成要素の位置関係が、「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００４７】また、本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。
【００４８】また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００４９】また、本明細書等において、「電圧」とは、ある電位と基準の電位（例えば、グラウンド電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位差とは言い換えることができる。
【００５０】また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む、少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域、またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域、またはソース電極）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００５１】また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等において、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００５２】また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。つまり、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流、という場合がある。
【００５３】上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソース電流をいう場合がある。また、オフ電流と同じ意味で、リーク電流という場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
【００５４】また、本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味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。
【００５５】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。
【００５６】また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と呼称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。金属酸化物の詳細については後述する。
【００５７】（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一形態に係わる記憶装置の構成例について説明する。本発明の一形態に係わる記憶装置は、半導体特性を利用することで機能しうる記憶装置であり、メモリとも呼ばれている（以下、メモリという）。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、半導体基板に構成した周辺回路の上方に、酸化物半導体トランジスタ（以下、ＯＳトランジスタという）を用いたメモリセルを積層して設けた構造を有する。
【００５８】＜メモリの構成例１＞
図１は、本発明の一形態に係わるメモリ１００の構成例を示す斜視概略図である。
【００５９】メモリ１００は、層１０１および層２０１を有し、層１０１の上方に層２０１が積層された構造を有する。層１０１および層２０１には、それぞれ、半導体特性を利用することで機能しうる回路が設けられており、層１０１には周辺回路１１０が設けられ、層２０１にはメモリセルアレイ２１０（図２では、「Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃｅｌｌ  Ａｒｒａｙ」と表記）が設けられている。また、層２０１は、メモリセルアレイ２１０の下方に、導電層５０および導電層６０を有する。導電層５０および導電層６０については、後述する。なお、本実施の形態で説明する図面においては、主な信号の流れを矢印または線で示しており、電源線等は省略している。
【００６０】周辺回路１１０は、ローデコーダ１２１、ワード線ドライバ回路１２２、ビット線ドライバ回路１３０、カラムデコーダ１３１、出力回路１４０、コントロールロジック回路１５０、および、ＶＢＧコントロール回路１６０を有する。周辺回路１１０は、メモリセルアレイ２１０の制御回路としての機能を有する。
【００６１】周辺回路１１０は、半導体基板ＳＵＢに形成したトランジスタを用いて構成されている。半導体基板ＳＵＢは、トランジスタのチャネル形成領域を有することが可能であれば、特に限定されない。例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、化合物半導体基板（ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板など）、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができる。
【００６２】また、ＳＯＩ基板として、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて形成されたＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法、ＥＬＴＲＡＮ法（登録商標：Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｙｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）などを用いて形成されたＳＯＩ基板を用いてもよい。単結晶基板を用いて形成したトランジスタは、チャネル形成領域に単結晶半導体を有する。
【００６３】本実施の形態では、半導体基板ＳＵＢに単結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。また、単結晶シリコン基板に形成したトランジスタを、Ｓｉトランジスタと呼ぶ。Ｓｉトランジスタを用いて構成された周辺回路１１０は、高速な動作が可能である。
【００６４】メモリセルアレイ２１０は、複数のメモリセル２１１（図２では、「Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃｅｌｌ」と表記）を有する。
【００６５】メモリセルアレイ２１０は、ＯＳトランジスタを用いて構成されている。酸化物半導体のバンドギャップは２．５ｅＶ以上、好ましくは３．０ｅＶ以上であるため、ＯＳトランジスタは熱励起によるリーク電流が小さく、オフ電流が極めて小さい。なお、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流をいう。
【００６６】トランジスタのチャネル形成領域に用いられる金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）および亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、例えばＡｌ、Ｇａ、ＹまたはＳｎ）が代表的である。電子供与体（ドナー）となる水分、水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をｉ型（真性）、または実質的にｉ型にすることができる。このような酸化物半導体は、高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。なお、ＯＳトランジスタの詳細については、実施の形態３で説明する。
【００６７】メモリセル２１１は、データを記憶する機能を有する。メモリセル２１１は、２値（ハイレベルおよびローレベル）のデータを記憶する機能を有していてもよいし、４値以上の多値データを記憶する機能を有していてもよい。または、アナログデータを記憶する機能を有していてもよい。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、メモリセル２１１に用いるトランジスタとして好適である。
【００６８】ＯＳトランジスタは、例えば、チャネル幅１μｍあたりのオフ電流を、１００ｚＡ／μｍ以下、または１０ｚＡ／μｍ以下、または１ｚＡ／μｍ以下、または１０ｙＡ／μｍ以下とすることができる。ＯＳトランジスタをメモリセル２１１に用いることにより、メモリセル２１１に記憶したデータを長期間に渡って保持することができる。
【００６９】メモリセル２１１にＯＳトランジスタを用いることで、メモリセル２１１のリフレッシュ頻度を少なくすることができる。または、メモリセル２１１のリフレッシュ動作を不要にすることができる。メモリセル２１１のリフレッシュ頻度を少なくすることで、メモリ１００の消費電力を低減することができる。または、メモリセル２１１のリフレッシュ動作を不要にすることで、リフレッシュ動作に要する回路を削減することができる。
【００７０】ＯＳトランジスタは高温下でもオフ電流が増加しにくいため、周辺回路１１０の発熱による高温下においても、メモリセル２１１に記憶したデータの消失が生じにくい。ＯＳトランジスタを用いることで、メモリ１００の信頼性を高めることができる。
【００７１】また、ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであり、半導体基板ＳＵＢの上方に積層して設けることができる。
【００７２】メモリセルアレイ２１０が有する各メモリセル２１１は、配線ＷＬおよび配線ＢＬと接続されている。配線ＷＬに供給される電位によってメモリセル２１１の選択が行われ、メモリセル２１１に書き込むデータに対応した電位が配線ＢＬに供給されることにより、メモリセル２１１にデータが書き込まれる。または、配線ＷＬに供給される電位によってメモリセル２１１の選択が行われ、メモリセル２１１に記憶したデータが配線ＢＬの電位を変化させることにより、メモリセル２１１からデータが読み出される。
【００７３】すなわち、配線ＷＬはメモリセル２１１のワード線としての機能を有し、配線ＢＬはメモリセル２１１のビット線としての機能を有する。また、配線ＢＬを介して供給される電位、および、配線ＢＬを介して読み出される電位を、本明細書等ではデータ信号と呼ぶ。
【００７４】なお、メモリセルアレイ２１０におけるメモリセル２１１のレイアウト方式として、折り返し型や開放型などを適用することができる。折り返し型を適用する場合、配線ＷＬの電位変化によって、配線ＢＬに出力される読み出し電位に生じるノイズを低減することができる。また、開放型を適用する場合、折り返し型に比べてメモリセル２１１の密度を高めることができ、メモリセルアレイ２１０の面積を縮小することができる。図１では開放型を適用した場合の構成例を示している。
【００７５】＜メモリの構成例２＞
図２は、メモリ１００の構成例を示すブロック図である。
【００７６】ビット線ドライバ回路１３０は、配線ＢＬと接続され、プリチャージ回路１３２、センスアンプ１３３、および書き込み回路１３４を有する。プリチャージ回路１３２は、配線ＢＬをプリチャージする機能を有する。センスアンプ１３３は、配線ＢＬから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有し、書き込み回路１３４は、配線ＢＬにデータ信号を書き込む機能を有する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４０を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとしてメモリ１００の外部に出力される。
【００７７】ワード線ドライバ回路１２２は、配線ＷＬと接続され、配線ＷＬを駆動する機能を有する。ワード線ドライバ回路１２２は、配線ＷＬを駆動することで、データの書き込みまたは読み出しを行うメモリセル２１１を選択する。
【００７８】メモリ１００には、外部から電源として、低電源電位ＶＳＳ、周辺回路１１０用の高電源電位ＶＤＤ、メモリセルアレイ２１０用の高電源電位ＶＩＨが供給される。ここで、高電源電位ＶＤＤは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位である。また、例えば、高電源電位ＶＩＨは、高電源電位ＶＤＤより高い電位、もしくは高電源電位ＶＤＤと同電位とすることができる。
【００７９】また、メモリ１００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１に入力され、ＷＤＡＴＡはビット線ドライバ回路１３０に入力される。
【００８０】コントロールロジック回路１５０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１の制御信号を生成する。ＣＥはチップイネーブル信号であり、ＷＥは書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１５０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の制御信号を入力してもよい。
【００８１】なお、メモリ１００において、上述の各回路、各信号および各電位は、必要に応じて適宜取捨することができる。あるいは、他の回路、他の信号または他の電位を追加してもよい。
【００８２】＜メモリセルアレイ＞
図３（Ａ）は、メモリセルアレイ２１０の構成例を示す上面図である。図３（Ａ）を用いて、メモリセルアレイ２１０の詳細を説明する。
【００８３】メモリセルアレイ２１０は、導電層５０の上方に位置するメモリセルアレイ２２０、および、導電層６０の上方に位置するメモリセルアレイ２３０に分けられる。
【００８４】メモリセルアレイ２２０は、一行にｎ（ｎは１以上の整数）個のメモリセル２１１をｋ（ｋは１以上の整数）行有し、メモリセル２１１は行列状に配置されている。図３（Ａ）において、［１，１］、［１，ｎ］、［ｋ，１］、［ｋ，ｎ］は、メモリセル２１１のアドレスを表しており、メモリセルアレイ２２０は、ｋ×ｎ個のメモリセル２１１を有する。
【００８５】また、メモリセルアレイ２３０は、一行にｎ個のメモリセル２１１をｍ−ｋ（ｍはｋ＋１以上の整数）行有し、メモリセル２１１は行列状に配置されている。図３（Ａ）において、［ｋ＋１，１］、［ｋ＋１，ｎ］、［ｍ，１］、［ｍ，ｎ］は、メモリセル２１１のアドレスを表しており、メモリセルアレイ２３０は、（ｍ−ｋ）×ｎ個のメモリセル２１１を有する。
【００８６】メモリセルアレイ２２０およびメモリセルアレイ２３０は、ｎ本の配線ＢＬ（ＢＬ（１）乃至ＢＬ（ｎ））を有する。また、メモリセルアレイ２２０は、ｋ本の配線ＷＬ（ＷＬ（１）乃至ＷＬ（ｋ））を有し、メモリセルアレイ２３０は、ｍ−ｋ本の配線ＷＬ（ＷＬ（ｋ＋１）乃至ＷＬ（ｍ））を有する。
【００８７】個々のメモリセル２１１は配線ＢＬおよび配線ＷＬと接続され、図１および図２に示すように、配線ＢＬはビット線ドライバ回路１３０と接続され、配線ＷＬはワード線ドライバ回路１２２と接続されている。そのため、個々のメモリセル２１１は、配線ＢＬを介してビット線ドライバ回路１３０と電気的に接続され、配線ＷＬを介してワード線ドライバ回路１２２と電気的に接続されている。
【００８８】また、図示していないが、導電層５０および導電層６０は、ＶＢＧコントロール回路１６０（図１および図２参照）と電気的に接続されている。ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位を、導電層５０および導電層６０に印加することができる。
【００８９】＜メモリセル１＞
図３（Ｂ）は、メモリセル２１１の構成例を示す回路図である。
【００９０】メモリセル２１１は、トランジスタＭ１１と、容量素子ＣＡとを有する。なお、トランジスタＭ１１は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）およびバックゲートを有する。
【００９１】トランジスタＭ１１のソースまたはドレインの一方は、容量素子ＣＡの第１端子と電気的に接続され、トランジスタＭ１１のソースまたはドレインの他方は、配線ＢＬと接続されている。トランジスタＭ１１のゲートは、配線ＷＬと接続され、トランジスタＭ１１のバックゲートは、配線ＶＢＧと接続されている。また、容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
【００９２】配線ＢＬはメモリセル２１１のビット線としての機能を有し、配線ＷＬはメモリセル２１１のワード線としての機能を有し、配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。また、配線ＶＢＧは、トランジスタＭ１１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。
【００９３】ここで、配線ＶＢＧは、導電層５０または導電層６０と接続されており、導電層５０または導電層６０に印加された電位を、トランジスタＭ１１のバックゲートに印加することができる。または、導電層５０または導電層６０を、トランジスタＭ１１のバックゲートとして使用することができる。すなわち、導電層５０または導電層６０を介して、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位をトランジスタＭ１１のバックゲートに印加することができる。
【００９４】トランジスタＭ１１のバックゲートに、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位を印加することで、トランジスタＭ１１のしきい値電圧を増減することができる。
【００９５】そして、トランジスタＭ１１は、容量素子ＣＡの第１端子と配線ＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。データの書き込みまたは読み出しは、配線ＷＬにハイレベルの電位を印加し、容量素子ＣＡの第１端子と配線ＢＬとを、導通状態とすることによって行われる。メモリセル２１１は、容量素子ＣＡに電荷を蓄積することでデータを保持するメモリであり、メモリセル２１１に保持されるデータは、配線ＢＬおよびトランジスタＭ１１を介して、書き込みまたは読み出しが行われる。
【００９６】なお、トランジスタＭ１１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。例えば、トランジスタＭ１１のチャネル形成領域に、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛のいずれか一つを有する金属酸化物を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる金属酸化物であることが好ましい。
【００９７】ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に小さいため、メモリセル２１１に書き込んだデータを長時間保持することができる。そのため、メモリセル２１１のリフレッシュ頻度を少なくすることができ、メモリ１００を消費電力の少ないメモリとすることができる。または、メモリセル２１１のリフレッシュ動作を不要にすることができる。または、メモリ１００を、高温下においてもデータの消失が生じにくい、信頼性の高いメモリとすることができる。
【００９８】トランジスタＭ１１にＯＳトランジスタを用いることで、上述のＤＯＳＲＡＭを構成することができる。
【００９９】＜メモリセル２＞
なお、メモリセル２１１の構成は、上記に限られない。メモリセル２１１の別の構成例を、図４（Ａ）に示すメモリセル２１２を用いて説明する。
【０１００】メモリセル２１２は、トランジスタＭ１２と、トランジスタＭ１３と、容量素子ＣＢとを有する。トランジスタＭ１２は、フロントゲートおよびバックゲートを有する。
【０１０１】トランジスタＭ１２のソースまたはドレインの一方は、容量素子ＣＢの第１端子、および、トランジスタＭ１３のゲートと電気的に接続され、トランジスタＭ１２のソースまたはドレインの他方は、配線ＷＢＬと接続されている。トランジスタＭ１２のゲートは、配線ＷＬと接続され、トランジスタＭ１２のバックゲートは、配線ＶＢＧと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ１３のソースまたはドレインの一方は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ１３のソースまたはドレインの他方は、配線ＲＢＬと接続されている。
【０１０２】配線ＷＢＬは書き込みビット線としての機能を有し、配線ＲＢＬは読み出しビット線としての機能を有し、配線ＷＬはワード線としての機能を有する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。また、配線ＶＢＧは、トランジスタＭ１２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。
【０１０３】ここで、配線ＶＢＧは、導電層５０または導電層６０と接続されており、導電層５０または導電層６０に印加された電位を、トランジスタＭ１２のバックゲートに印加することができる。または、導電層５０または導電層６０を、トランジスタＭ１２のバックゲートとして使用することができる。すなわち、導電層５０または導電層６０を介して、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位をトランジスタＭ１２のバックゲートに印加することができる。
【０１０４】トランジスタＭ１２のバックゲートに、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位を印加することで、トランジスタＭ１２のしきい値電圧を増減することができる。
【０１０５】そして、トランジスタＭ１２は、容量素子ＣＢの第１端子と配線ＷＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。
【０１０６】データの書き込みは、配線ＷＬにハイレベルの電位を印加し、容量素子ＣＢの第１端子と配線ＷＢＬとを、導通状態とすることによって行われる。具体的には、トランジスタＭ１２が導通状態のとき、配線ＷＢＬに、書き込むデータに対応した電位を印加し、容量素子ＣＢの第１端子、およびトランジスタＭ１３のゲートに該電位を書き込むことによって行われる。その後、配線ＷＬにローレベルの電位を印加し、トランジスタＭ１２を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＢの第１端子の電位、およびトランジスタＭ１３のゲートの電位を保持する。
【０１０７】データの読み出しは、配線ＳＬに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタＭ１３のソースとドレインとの間に流れる電流は、トランジスタＭ１３のゲートの電位、およびトランジスタＭ１３のソースまたはドレインの一方（配線ＳＬ）の電位によって決まり、また、前記電流によって、トランジスタＭ１３のソースまたはドレインの他方の電位が決まる。そのため、トランジスタＭ１３のソースまたはドレインの他方と接続されている配線ＲＢＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＢの第１端子（またはトランジスタＭ１３のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。
【０１０８】なお、トランジスタＭ１２は、トランジスタＭ１１と同様、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。また、トランジスタＭ１３は、特に限定されない。例えば、トランジスタＭ１３にＯＳトランジスタを用いてもよいし、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。
【０１０９】メモリセル２１２は、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルである。ゲインセル型のメモリセルは、容量素子の容量が小さい場合でも、蓄積した電荷を直近のトランジスタで増幅することで、メモリとしての動作を行うことができる。
【０１１０】また、トランジスタＭ１２に、オフ電流が非常に小さいＯＳトランジスタを用いることで、電力の供給が停止された期間においても蓄積した電荷を保持することができ、メモリセル２１２は、不揮発メモリとしての性質を有する。ＯＳトランジスタを用いた、ゲインセル型のメモリセルによって構成されるメモリを、本明細書等では、「ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）」と呼ぶ。なお、ＮＯＳＲＡＭは、容量素子の充放電によってデータの書き換えを行うため、原理的には書き換え回数に制約はない。
【０１１１】また、メモリセル２１２は、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを、一本の配線ＢＬとしてまとめた構成であってもよい。配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを、一本の配線ＢＬとしてまとめた構成例を、図４（Ｂ）に示す。
【０１１２】図４（Ｂ）に示すメモリセル２１３は、トランジスタＭ１２のソースまたはドレインの他方、および、トランジスタＭ１３のソースまたはドレインの他方が、配線ＢＬと接続されている。つまり、メモリセル２１３は、書き込みビット線と読み出しビット線が、１本の配線ＢＬとして動作する構成となっている。この場合、データを書き込む際は、配線ＳＬを電気的に浮遊状態（フローティング）とすることが好ましい。
【０１１３】＜メモリセル３＞
また、メモリセル２１２を、３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルとしてもよい。メモリセル２１２を、３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルとした場合の構成例を、図４（Ｃ）に示すメモリセル２１４を用いて説明する。
【０１１４】メモリセル２１４は、トランジスタＭ１４乃至トランジスタＭ１６と、容量素子ＣＣとを有する。トランジスタＭ１４は、フロントゲートおよびバックゲートを有する。
【０１１５】トランジスタＭ１４のソースまたはドレインの一方は、容量素子ＣＣの第１端子、および、トランジスタＭ１５のゲートと電気的に接続され、トランジスタＭ１４のソースまたはドレインの他方は、配線ＢＬと接続されている。トランジスタＭ１４のゲートは、配線ＷＬと接続され、トランジスタＭ１４のバックゲートは、配線ＶＢＧと接続されている。容量素子ＣＣの第２端子は、配線ＣＡＬ、および、トランジスタＭ１５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＭ１５のソースまたはドレインの他方は、トランジスタＭ１６のソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタＭ１６のソースまたはドレインの他方は、配線ＢＬと接続され、トランジスタＭ１６のゲートは、配線ＲＷＬと接続されている。
【０１１６】配線ＢＬはビット線としての機能を有し、配線ＷＬは書き込みワード線としての機能を有し、配線ＲＷＬは読み出しワード線としての機能を有する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＣの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する（例えば、所定の電位としてローレベルの電位を印加する）。また、配線ＶＢＧは、トランジスタＭ１４のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。
【０１１７】ここで、配線ＶＢＧは、導電層５０または導電層６０と接続されており、導電層５０または導電層６０に印加された電位を、トランジスタＭ１４のバックゲートに印加することができる。または、導電層５０または導電層６０を、トランジスタＭ１４のバックゲートとして使用することができる。すなわち、導電層５０または導電層６０を介して、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位をトランジスタＭ１４のバックゲートに印加することができる。
【０１１８】トランジスタＭ１４のバックゲートに、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成した電位を印加することで、トランジスタＭ１４のしきい値電圧を増減することができる。
【０１１９】そして、トランジスタＭ１４は、容量素子ＣＣの第１端子と配線ＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有し、トランジスタＭ１６は、トランジスタＭ１５のソースまたはドレインの他方と配線ＢＬとを、導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。
【０１２０】データの書き込みは、配線ＷＬにハイレベルの電位を印加し、容量素子ＣＣの第１端子と配線ＢＬとを、導通状態とすることによって行われる。具体的には、トランジスタＭ１４が導通状態のとき、配線ＢＬに、書き込むデータに対応した電位を印加し、容量素子ＣＣの第１端子、およびトランジスタＭ１５のゲートに該電位を書き込むことによって行われる。その後、配線ＷＬにローレベルの電位を印加し、トランジスタＭ１４を非導通状態にすることによって、容量素子ＣＣの第１端子の電位、およびトランジスタＭ１５のゲートの電位を保持する。
【０１２１】データの読み出しは、配線ＢＬに所定の電位を印加（プリチャージ）し、その後配線ＢＬを電気的に浮遊状態（フローティング）とし、かつ配線ＲＷＬにハイレベルの電位を印加することによって行われる。配線ＲＷＬにハイレベルの電位を印加することで、トランジスタＭ１６は導通状態となり、トランジスタＭ１５のソースまたはドレインの他方と配線ＢＬとは、電気的に接続状態となる。このとき、トランジスタＭ１５のソースとドレインの間には、配線ＢＬと配線ＣＡＬとの電位差に応じた電圧が印加され、トランジスタＭ１５のソースとドレインとの間に流れる電流は、トランジスタＭ１５のゲートの電位、および前記ソースとドレインの間に印加される電圧によって決まる。
【０１２２】ここで、配線ＢＬの電位は、トランジスタＭ１５のソースとドレインとの間に流れる電流によって変化するため、配線ＢＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＣの第１端子（またはトランジスタＭ１５のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。
【０１２３】なお、トランジスタＭ１４は、トランジスタＭ１１と同様、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。また、トランジスタＭ１５およびトランジスタＭ１６は、特に限定されない。例えば、トランジスタＭ１５およびトランジスタＭ１６にＯＳトランジスタを用いてもよいし、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。
【０１２４】図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）を用いて、メモリセル２１１の別の構成例を説明したが、メモリセル２１１の構成はこれらに限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。
【０１２５】＜導電層＞
上述のように、層２０１は、メモリセルアレイ２２０の下方に導電層５０を有し、メモリセルアレイ２３０の下方に導電層６０を有する。そして、メモリセルアレイ２２０が有するｋ×ｎ個のメモリセル２１１において、導電層５０の電位はトランジスタＭ１１のバックゲートに印加され、メモリセルアレイ２３０が有する（ｍ−ｋ）×ｎ個のメモリセル２１１において、導電層６０の電位はトランジスタＭ１１のバックゲートに印加される。
【０１２６】ＯＳトランジスタは、バックゲートに印加する電位によってしきい値電圧を増減することができるため、メモリセルアレイ２２０が有するメモリセル２１１のトランジスタＭ１１と、メモリセルアレイ２３０が有するメモリセル２１１のトランジスタＭ１１とは、異なるしきい値電圧を有するトランジスタとすることができる。
【０１２７】具体的には、ＯＳトランジスタのバックゲートに印加する電位を高くすることで、しきい値電圧はマイナスにシフトし、ＯＳトランジスタのバックゲートに印加する電位を低くすることで、しきい値電圧はプラスにシフトする。また、しきい値電圧をマイナスにシフトすることで、トランジスタのオン電流を増加することができ、しきい値電圧をプラスにシフトすることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。なお、ＯＳトランジスタのバックゲートに印加する電位は、ＶＢＧコントロール回路１６０が生成する。
【０１２８】すなわち、データの書き込みまたは読み出しを行っているメモリセルアレイに対して、その下方に位置する導電層の電位を高くすることで、トランジスタのオン電流を増加し、データの書き込みまたは読み出し速度を高速化することができる。また、データの保持を行っているメモリセルアレイに対して、その下方に位置する導電層の電位を低くすることで、トランジスタのオフ電流を低減し、データの保持時間を長くすることができる。
【０１２９】また、層２０１は、メモリセルアレイ２２０の下方に導電層５０を有し、メモリセルアレイ２３０の下方に導電層６０を有することで、周辺回路１１０が動作することによるノイズがメモリセルアレイ２２０およびメモリセルアレイ２３０に影響する程度を低減することができる。
【０１３０】つまり、導電層５０および導電層６０は、周辺回路１１０が動作することによるノイズがメモリセルアレイ２２０およびメモリセルアレイ２３０に影響する程度を低減し、データの書き込みまたは読み出しを行っているメモリセルアレイの動作速度を高速化し、データの保持を行っているメモリセルアレイのデータ保持時間を長くすることができる。
【０１３１】導電層５０および導電層６０は、ストライプ状、田の字状、メッシュ状などの形状であってもよい。もしくは、導電層５０および導電層６０の一部に開口部を有していてもよい。導電層５０および導電層６０が、ストライプ状である場合の例（上面図）を図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示し、田の字状である場合の例（上面図）を図６（Ａ）に示し、メッシュ状である場合の例（上面図）を図６（Ｂ）に示す。
【０１３２】また、導電層５０および導電層６０が、図５（Ｂ）に示すストライプ状である場合、導電層５０および導電層６０とトランジスタＭ１１の位置関係を、図７に示す。図７に示すように、トランジスタＭ１１は、導電層５０および導電層６０上に設けられる。導電層５０および導電層６０が、ストライプ状などの形状である、もしくは開口部を有することで、例えば、メモリセルアレイ２１０の寄生容量を削減することができる。
【０１３３】なお、本実施の形態では、層２０１が導電層５０および導電層６０を有する例を説明したが、層２０１が有する導電層の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。層２０１が有する導電層の数が１つの場合の斜視概略図を、図８に示す。図８に示すメモリ１００において、層２０１はメモリセルアレイ２１０の下方に、導電層７０を有する。
【０１３４】また、本実施の形態において、図１および図３では、配線ＷＬ（１）乃至配線ＷＬ（ｋ）と接続されたメモリセル２１１の下方に導電層５０を有し、配線ＷＬ（ｋ＋１）乃至配線ＷＬ（ｍ）と接続されたメモリセル２１１の下方に導電層６０を有する例を説明したが、配線ＢＬ（１）乃至配線ＢＬ（ｌ）（ｌは１以上ｎ−１以下の整数）と接続されたメモリセル２１１の下方に導電層５０を有し、配線ＢＬ（ｌ＋１）乃至配線ＢＬ（ｎ）と接続されたメモリセル２１１の下方に導電層６０を有していてもよい。
【０１３５】上述のように、メモリ１００は、層１０１の上方に層２０１が積層された構造を有し、層２０１は、メモリセルアレイ２１０の下方に導電層５０および導電層６０を有し、導電層５０および導電層６０は、層１０１に設けられた周辺回路１１０が動作することによるノイズを低減する。また、導電層５０および導電層６０は、ＯＳトランジスタのバックゲートに電位を印加することで、メモリセルアレイ２１０の一部を動作速度の速いメモリセルアレイ、または、メモリセルアレイ２１０の一部をデータの保持時間が長いメモリセルアレイとすることができる。
【０１３６】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及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１３７】（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周辺回路１１０に適用可能なＳｉトランジスタ、およびメモリセル２１１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。なお、本実施の形態では、前記ＳｉトランジスタおよびＯＳトランジスタを合わせて、半導体装置と呼ぶ。
【０１３８】＜半導体装置の構成例＞
図９に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ５００、トランジスタ５０１、および容量素子６００を有している。図１０（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１０（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１０（Ｃ）はトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
【０１３９】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。トランジスタ５０１はトランジスタ５００と同様の構成を有する。
【０１４０】トランジスタ５００およびトランジスタ５０１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５００およびトランジスタ５０１の上方に設けられている。
【０１４１】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。
【０１４２】トランジスタ３００は、図１０（Ｃ）に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大してトランジスタ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。
【０１４３】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。
【０１４４】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。
【０１４５】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。
【０１４６】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。
【０１４７】なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、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。
【０１４８】なお、図９に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ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。
【０１４９】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。
【０１５０】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。
【０１５１】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。
【０１５２】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およびトランジスタ５０１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。
【０１５３】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およびトランジスタ５０１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。
【０１５４】水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ分析）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、膜の表面温度が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。
【０１５５】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３２６の比誘電率は、絶縁体３２４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。
【０１５６】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等と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０は、プラグまたは配線としての機能を有する。
【０１５７】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、配線とプラグ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し、該導電体の他の一部がプラグとして機能する場合もある。
【０１５８】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。
【０１５９】絶縁体３２６、および導電体３３０上に、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と電気的に接続するプラグまたは配線としての機能を有する。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。
【０１６０】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およびトランジスタ５０１と、を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およびトランジスタ５０１への水素の拡散を抑制することができる。
【０１６１】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。
【０１６２】絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。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。
【０１６３】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およびトランジスタ５０１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およびトランジスタ５０１への水素の拡散を抑制することができる。
【０１６４】絶縁体３６４、および導電体３６６上に、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。
【０１６５】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およびトランジスタ５０１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およびトランジスタ５０１への水素の拡散を抑制することができる。
【０１６６】絶縁体３７４、および導電体３７６上に、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。
【０１６７】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およびトランジスタ５０１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およびトランジスタ５０１への水素の拡散を抑制することができる。
【０１６８】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。
【０１６９】絶縁体３８４上には絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１５、および絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１５、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。
【０１７０】例えば、絶縁体５１１、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およびトランジスタ５０１などを設ける領域に、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。
【０１７１】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およびトランジスタ５０１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。
【０１７２】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５１１、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。
【０１７３】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およびトランジスタ５０１への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００およびトランジスタ５０１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およびトランジスタ５０１に対する保護膜として用いることに適している。
【０１７４】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、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。
【０１７５】また、絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１５、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（導電体５０３）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と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体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。
【０１７６】特に、絶縁体５１１、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およびトランジスタ５０１への水素の拡散を抑制することができる。
【０１７７】絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００およびトランジスタ５０１が設けられている。
【０１７８】図９、図１０（Ａ）、および図１０（Ｂ）に示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４上に、導電体５０３と、導電体５０３の側面を覆う絶縁体５１５が配置されている。また、絶縁体５１５上に絶縁体５１６（図９参照）が配置されている。また、トランジスタ５００は、絶縁体５１６と導電体５０３の上に配置された絶縁体５２１と、絶縁体５２１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。
【０１７９】なお、トランジスタ５０１もトランジスタ５００と同様の構造を有する。トランジスタ５０１の詳細な説明は、トランジスタ５００をトランジスタ５０１に読み換えれば理解できる。よって、トランジスタ５０１の詳細な説明は省略する。
【０１８０】また、図１０（Ａ）および図１０（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１０（Ａ）および図１０（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１０（Ａ）および図１０（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。
【０１８１】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。
【０１８２】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９、図１０（Ａ）、および図１０（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。
【０１８３】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。
【０１８４】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。
【０１８５】導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【０１８６】導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
【０１８７】絶縁体５２１、絶縁体５２２、絶縁体５２４、および絶縁体５５０は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【０１８８】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。
【０１８９】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以上、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。
【０１９０】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。
【０１９１】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５２１側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や、酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
【０１９２】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、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
【０１９３】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。
【０１９４】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。
【０１９５】また、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、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２１を得ることができる。
【０１９６】なお、絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が、４層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
【０１９７】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。
【０１９８】酸化物５３０においてチャネル形成領域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。
【０１９９】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。
【０２００】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。
【０２０１】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。
【０２０２】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。
【０２０３】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。
【０２０４】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。
【０２０５】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。
【０２０６】また、図１０（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。
【０２０７】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。
【０２０８】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。
【０２０９】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。
【０２１０】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、後の工程での熱処理において、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。
【０２１１】また、絶縁体５１５は、導電体５０３側面の酸化を抑制する。絶縁体５１５として、絶縁体５４４と同様の材料を用いることができる。また、トランジスタ５００の外側に、絶縁体５１５と絶縁体５４４が接する領域を設けてもよい。
【０２１２】絶縁体５５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面および側面）に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、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ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以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
【０２１３】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。なお、本明細書等では、絶縁体または導電体などから加熱により放出される酸素を「過剰酸素」という。
【０２１４】過剰酸素を有する絶縁体を、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。
【０２１５】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。
【０２１６】第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図１０（Ａ）および図１０（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。
【０２１７】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。
【０２１８】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。
【０２１９】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。
【０２２０】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。
【０２２１】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。
【０２２２】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。
【０２２３】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。
【０２２４】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。
【０２２５】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。
【０２２６】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。
【０２２７】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５４６（導電体５４６ａおよび導電体５４６ｂ）を配置する。導電体５４６ａおよび導電体５４６ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。
【０２２８】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。
【０２２９】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。
【０２３０】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、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。
【０２３１】また、絶縁体５８６上には、絶縁体５８７が設けられている。絶縁体５８７は、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体５８７に抵抗率が１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下の絶縁材料を用いることで、成膜時またはエッチング時などで生じるプラズマダメージを低減することができる。例えば、絶縁体５８７として抵抗率が１×１０１４Ωｃｍ以下、好ましくは１×１０１３Ωｃｍ以下の窒化シリコンを用いればよい。なお、絶縁体５８７に限らず、他の絶縁体に抵抗率が１×１０１０以上１×１０１５Ωｃｍ以下の絶縁材料を用いてもよい。例えば、絶縁体５１５、絶縁体５７４、および／または絶縁体５８２に抵抗率が１×１０１４Ωｃｍ以下、好ましくは１×１０１３Ωｃｍ以下の窒化シリコンを用いてもよい。
【０２３２】また、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、絶縁体５８６、および絶縁体５８７には、導電体５４６等が埋め込まれている。また、絶縁体５２１、絶縁体５２２、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、絶縁体５８６、および絶縁体５８７には、導電体５４８等が埋め込まれている。
【０２３３】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と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体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。
【０２３４】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。
【０２３５】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等と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体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。
【０２３６】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。
【０２３７】図９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。
【０２３８】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。
【０２３９】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。
【０２４０】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。
【０２４１】＜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。
【０２４２】＜トランジスタの構造例１＞
図１１（Ａ）乃至図１１（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図１１（Ａ）はトランジスタ５１０Ａの上面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１１（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。
【０２４３】トランジスタ５１０Ａはトランジスタ５００の変形例である。よって、説明の繰り返しを減らすため、主にトランジスタ５００と異なる点について説明する。
【０２４４】トランジスタ５１０Ａは、第１の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、第２のゲート電極として機能する導電体５０３と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４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５４４と、を有する。
【０２４５】また、図１１に示すトランジスタ５１０Ａでは、絶縁体５４４が、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０を介して、導電体５６０の側面を覆っている。このような構造にすることで、導電体５６０の側面側からの不純物の浸入を防ぐことができる。
【０２４６】トランジスタ５１０Ａにおいて、導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。よって、絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁体として機能する場合がある。また、絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁体として機能する場合がある。
【０２４７】なお、図１１では、第２のゲート絶縁体として、３層の積層構造を示したが、２層以下、または４層以上の積層構造としてもよい。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。
【０２４８】トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁体と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁体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。
【０２４９】導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ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。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５４４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。
【０２５０】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。
【０２５１】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。
【０２５２】第１の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。
【０２５３】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。
【０２５４】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。
【０２５５】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。
【０２５６】また、トランジスタ５１０Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５７４、および絶縁体５８１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。
【０２５７】導電体５０３の側面に隣接して絶縁体５１５および絶縁体５１６を設けてもよい。このような構成は、例えば、パターン形成された導電体５０３の上に絶縁体５１５および絶縁体５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体５０３の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去することで実現できる。
【０２５８】ここで、導電体５０３の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体５０３上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体５０３の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０の結晶性の向上を図ることができる。
【０２５９】また、トランジスタ５１０Ａが形成される領域以外の領域で、絶縁体５４４と絶縁体５１５が接していてもよい（図１１（Ｂ）参照）。このような構成は、絶縁体５１６の一部を除去して絶縁体５１５の一部を露出させ、その後に絶縁体５４４を成膜することで実現できる。
【０２６０】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。
【０２６１】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。
【０２６２】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。
【０２６３】＜トランジスタの構造例２＞
図１２（Ａ）乃至図１２（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１２（Ａ）はトランジスタ５１０Ｂ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。
【０２６４】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、説明の繰り返しを減らすため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。
【０２６５】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、酸化物５５１、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。
【０２６６】第１の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。
【０２６７】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。
【０２６８】また、トランジスタのＶｔｈを調整するために、導電体５６０ａに用いる材料を、仕事関数を考慮して決定してもよい。例えば、導電体５６０ａを窒化チタン、導電体５６０ｂをタングステンで形成してもよい。導電体５６０ａおよび導電体５６０ｂは、スパッタリング法またはＣＶＤ法などの既知の成膜方法で形成すればよい。なお、窒化チタンをＣＶＤ法で成膜する場合の成膜温度は３８０℃以上５００℃以下が好ましく、４００℃以上４５０℃以下がより好ましい。
【０２６９】酸化物５５１は、他の絶縁体と同様の材料を用いて形成してもよい。また、酸化物５５１として、過剰酸素を含む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てもよい。例えば、酸化物５５１として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法で成膜する。具体的には、例えば原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４のターゲットを用いて、酸素を含むスパッタリングガスを用いて成膜する。酸化物５５１をスパッタリング法で成膜する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比は７０％以上が好ましく、８０％以上がさらに好ましく、１００％がより好ましい。
【０２７０】スパッタリングガスに酸素を含むガスを用いることで、酸化物５５１だけでなく、酸化物５５１の被形成面である絶縁体５５０に酸素を供給することができる。また、スパッタリングガスに含まれる酸素の流量比を大きくすることで、絶縁体５５０への酸素供給量を増やすことができる。
【０２７１】また、絶縁体５５０上に酸化物５５１を設けることで、絶縁体５５０に含まれる過剰酸素が導電体５６０へ拡散しにくくなる。よって、トランジスタの信頼性を高めることができる。なお、酸化物５５１は、目的などによっては省略される場合がある。
【０２７２】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５４４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５４４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。
【０２７３】絶縁体５４４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５４４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。
【０２７４】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。
【０２７５】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ができる。
【０２７６】＜トランジスタの構造例３＞
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１３（Ａ）はトランジスタ５１０Ｃ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。
【０２７７】トランジスタ５１０Ｃは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを減らすため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
【０２７８】図１３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。
【０２７９】図１３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。
【０２８０】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。
【０２８１】また、図１３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。
【０２８２】＜トランジスタの構造例４＞
図１４（Ａ）乃至図１４（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１４（Ａ）はトランジスタ５１０Ｄ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。
【０２８３】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、説明の繰り返しを減らすため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
【０２８４】トランジスタ５１０Ｄ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。
【０２８５】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。
【０２８６】なお、金属酸化物５５２は、第１のゲート電極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。
【０２８７】また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁層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が可能となる。また、ゲート絶縁層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。
【０２８８】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、ゲート絶縁層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。
【０２８９】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、ゲート絶縁層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。
【０２９０】具体的には、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。
【０２９１】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、後の工程での熱処理において、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。
【０２９２】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。
【０２９３】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。
【０２９４】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。
【０２９５】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。
【０２９６】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。
【０２９７】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。
【０２９８】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。
【０２９９】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。
【０３００】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。
【０３０１】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。
【０３０２】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。
【０３０３】また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５４４を有する。絶縁体５４４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５４４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
【０３０４】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５４４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。
【０３０５】＜トランジスタの構造例５＞
図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）を用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１５（Ａ）はトランジスタ５１０Ｅ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。
【０３０６】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。
【０３０７】図１５（Ａ）乃至図１５（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５４４の間に、絶縁体５４１を有する。
【０３０８】図１５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。
【０３０９】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。
【０３１０】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。
【０３１１】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。
【０３１２】続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁体５４１となる絶縁膜、および絶縁体５４４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５４１となる絶縁膜、および絶縁体５４４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。
【０３１３】具体的には、絶縁体５４４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５４１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５４４、および絶縁体５４１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１５に示すトランジスタを形成することができる。
【０３１４】なお、絶縁体５４１、および絶縁体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。
【０３１５】図１５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。
【０３１６】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及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【０３１７】（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。
【０３１８】＜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。
【０３１９】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。
【０３２０】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。
【０３２１】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。
【０３２２】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。
【０３２３】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。
【０３２４】＜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。
【０３２５】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。
【０３２６】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。
【０３２７】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。
【０３２８】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。
【０３２９】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。
【０３３０】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。
【０３３１】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。
【０３３２】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。
【０３３３】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。
【０３３４】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。
【０３３５】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。
【０３３６】＜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。
【０３３７】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。
【０３３８】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）。
【０３３９】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。
【０３４０】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。
【０３４１】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。
【０３４２】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。
【０３４３】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。
【０３４４】＜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。
【０３４５】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。
【０３４６】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。
【０３４７】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。
【０３４８】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。
【０３４９】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。
【０３５０】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。
【０３５１】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及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【０３５２】（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶装置を搭載した電子機器の一例について説明する。
【０３５３】本発明の一形態に係わる記憶装置は、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記憶装置は、電子機器に内蔵されるメモリとして用いることができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。
【０３５４】本発明の一形態の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
【０３５５】本発明の一形態の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい、または赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
【０３５６】本発明の一形態の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図１６に、電子機器の例を示す。
【０３５７】図１６（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
【０３５８】図１６（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３とを有する。
【０３５９】なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
【０３６０】図１６（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
【０３６１】本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、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。
【０３６２】図１６（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
【０３６３】図１６（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一形態に係わる記憶装置を適用できるゲーム機はこれに限定されない。本発明の一形態に係わる記憶装置を適用できるゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
【０３６４】図１６（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図１６（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図１６（Ｅ２）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
【０３６５】表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
【０３６６】表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
【０３６７】なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、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記憶装置を適用することができる。
【０３６８】本発明の一形態に係わる記憶装置は、温度の高い環境においてもデータの保持時間が長く、温度の低い環境においても高速動作を行うことができる。上記の各種電子機器に、本発明の一形態に係わる記憶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、信頼性の高い電子機器を提供することができる。また、電子機器の低消費電力化を図ることができる。
【０３６９】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及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例】
【０３７０】本実施例では、メモリセル２１１に用いることができるＯＳトランジスタについて、バックゲート（図１７（Ａ）、（Ｂ）等では、「Ｂａｃｋ  Ｇａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と表記）に印加する電位と、しきい値電圧の関係について調査を行った。なお、本実施例において、バックゲートに印加する電位をＶＢＧ、フロントゲート（図１７（Ａ）、（Ｂ）等では、「Ｆｒｏｎｔ  Ｇａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と表記）に印加する電位をＶＦＧ、ソース（図１７（Ａ）では、「Ｓ／Ｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と表記）とドレイン（図１７（Ａ）では、「Ｓ／Ｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と表記）との間に流れる電流をＩｄｓ、√Ｉｄｓ外挿法で求めたしきい値電圧をＶｔｈとする。【０３７１】また、本実施例で行う議論は、他のしきい値電圧の定義、例えば、定電流法で求めたものについても同様に成り立つことが確認されている。【０３７２】図１７（Ａ）および（Ｂ）に、作製したＯＳトランジスタの断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を示す。図１７（Ａ）は、ＯＳトランジスタのチャネル長方向の断面ＴＥＭ像であり、図１７（Ｂ）は、ＯＳトランジスタのチャネル幅方向の断面ＴＥＭ像である。当該ＯＳトランジスタは、バックゲートを有する。【０３７３】バックゲート絶縁膜ＢＧＩ（図１７（Ａ）、（Ｂ）、および図２１では、「Ｂａｃｋ  Ｇａｔｅ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ」と表記）の厚さは、ＥＯＴ（ＳｉＯ２膜換算膜厚、Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）で３０ｎｍ、チャネル形成領域を形成する酸化物（図１７（Ａ）および（Ｂ）では、「ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ」と表記、図２１では、「ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ）」と表記）の厚さは１７ｎｍ、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩ（図１７（Ａ）、（Ｂ）、および図２１では、「Ｆｒｏｎｔ  Ｇａｔｅ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ」と表記）の厚さは、ＥＯＴで６．１ｎｍ、８．０ｎｍ、１１．２ｎｍと、３条件作製した。チャネル長は０．３７ｕｍ、チャネル幅は０．２４ｕｍである。【０３７４】図１８（Ａ）に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さ（図では、「ｔＦＧＩ」と表記）が６．１ｎｍのＯＳトランジスタについて、バックゲートに印加する電位ＶＢＧを０Ｖから−８Ｖまで２Ｖおきに変化させた場合の、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧと、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓとの関係（以後、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線という）を示す。バックゲートに印加する電位ＶＢＧを負電位とすることで、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線はプラスにシフトする。【０３７５】図１８（Ｂ）に、横軸をしきい値電圧Ｖｔｈでそろえた場合のＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線を示す。バックゲートに印加する電位ＶＢＧが異なる場合でも、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線はおおよそ重なっており、バックゲートに印加する電位ＶＢＧによって変化しているのは、しきい値電圧Ｖｔｈのみであることがわかる。【０３７６】図１９（Ａ）に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが８．０ｎｍのＯＳトランジスタについて、バックゲートに印加する電位ＶＢＧを０Ｖから−８Ｖまで２Ｖおきに変化させた場合の、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線を示す。図１９（Ｂ）に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが１１．２ｎｍのＯＳトランジスタについて、バックゲートに印加する電位ＶＢＧを０Ｖから−８Ｖまで２Ｖおきに変化させた場合の、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線を示す。【０３７７】図１８（Ａ）および図１９（Ａ）より、バックゲートに印加する電位ＶＢＧが同じ場合でも、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さ（図１８（Ａ）および図１９（Ａ）では、「ｔＦＧＩ」と表記）が６．１ｎｍのＯＳトランジスタよりも、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが８．０ｎｍのＯＳトランジスタの方が、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線はよりプラスにシフトしている。【０３７８】また、図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）より、バックゲートに印加する電位ＶＢＧが同じ場合でも、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが８．０ｎｍのＯＳトランジスタよりも、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが１１．２ｎｍのＯＳトランジスタの方が、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線はよりプラスにシフトしている。【０３７９】図２０（Ａ）に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが６．１ｎｍ、８．０ｎｍ、１１．２ｎｍのＯＳトランジスタのそれぞれにおいて、バックゲートに印加する電位ＶＢＧと、ＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線より抽出したしきい値電圧Ｖｔｈとの関係を示す。図２０（Ａ）に示す、バックゲートに印加する電位ＶＢＧとしきい値電圧Ｖｔｈとの関係は、それぞれ、ＯＳトランジスタ８サンプルの平均である。フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さが６．１ｎｍ、８．０ｎｍ、１１．２ｎｍのＯＳトランジスタのそれぞれにおいて、しきい値電圧Ｖｔｈは、バックゲートに印加する電位ＶＢＧに対しておおよそ線形に変化していることがわかる。【０３８０】図２０（Ｂ）に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さと、バックゲートに印加する電位ＶＢＧに対するしきい値電圧Ｖｔｈの変化量（以後、∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧという）、および、サブスレッショルド係数（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｓｗｉｎｇ、Ｓ．Ｓ．）との関係を示す。【０３８１】∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧは、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さに対しておおよそ線形であり、近似曲線の切片は、０Ｖ／Ｖに近い値となっている。サブスレッショルド係数も、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さに対しておおよそ線形であり、近似曲線の切片は、６０ｍＶ／ｄｅｃに近い値となっている。【０３８２】ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタのように、不純物添加によるしきい値電圧の制御を行わない。ＯＳトランジスタにおいて、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧがしきい値電圧Ｖｔｈより小さな領域では、チャネル形成領域中の空間電荷濃度が小さく、バンド曲りへの空間電荷の寄与は小さい。そのため、ＯＳトランジスタのチャネル形成領域は、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧがしきい値電圧Ｖｔｈより小さな領域では、図２１に示す、シンプルな容量モデルに近似することができる。【０３８３】チャネル形成領域を形成する酸化物と、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの界面ポテンシャルをＶＣＨ、チャネル形成領域を形成する酸化物と、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの界面よりもフロントゲート側の容量をＣＦ、チャネル形成領域を形成する酸化物と、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの界面よりもバックゲート側の容量をＣＢ、と定義する。【０３８４】フロ���トゲートに印加する電位ＶＦＧ、または、バックゲートに印加する電位ＶＢＧを変化させた場合の、界面ポテンシャルＶＣＨの変化量は、以下の式（１）および式（２）で与えられる。【０３８５】
【数１．２】
2019145814.tif 000003
【０３８６】バックゲートに印加する電位ＶＢＧにかかわらず、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧと、しきい値電圧Ｖｔｈが等しくなる界面ポテンシャルＶＣＨが変わらないとすれば、∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧについて、以下の式（３）が得られる。【０３８７】
【数３】
2019145814.tif 000004
【０３８８】式（３）から、しきい値電圧Ｖｔｈが、バックゲートに印加する電位ＶＢＧに対して、容量ＣＦに対する容量ＣＢの比を傾きとした直線になることが理解できる。【０３８９】また、同じ容量モデルに基づくと、サブスレッショルド係数は、以下の式（４）で表される。【０３９０】
【数４】
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【０３９１】式（３）および式（４）から、∂Ｖｔｈ／∂ＶＢＧとサブスレッショルド係数は、ともに、容量ＣＦと容量ＣＢの比に依存している。ＯＳトランジスタにおいて、バックゲートによるしきい値電圧の制御を行うには、容量ＣＦと容量ＣＢの比、特に、フロントゲート絶縁膜ＦＧＩの厚さとバックゲート絶縁膜ＢＧＩの厚さによって、ＯＳトランジスタの電気特性をデザインすることができる。【０３９２】なお、ＯＳトランジスタのサブスレッショルド領域における電気特性は、ＯＳトランジスタのオフ電流が非常に小さく、１つのＯＳトランジスタを用いた測定（図２２（Ａ）では、「Ｏｎｅ  ＦＥＴ」と表記）では、評価装置の検出下限のため、十分な評価ができない（図１８（Ａ）、図１９（Ａ）、および図１９（Ｂ）参照）。そこで、非特許文献７で報告されている、数万乃至数十万のＯＳトランジスタを並列結合させて評価する方法（図２２（Ａ）では、９万のＯＳトランジスタを並列結合させて評価し、「Ｐａｒａｌｌｅｌｉｚｅｄ  ９０，０００  ＦＥＴｓ」と表記）、および、データ保持試験回路を用いた方法（図２２（Ａ）では、「Ｄａｔａ  ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｅｓｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ」と表記）により、高い精度で測定し、その結果を図２２（Ａ）のＶＦＧ−Ｉｄｓ曲線（横軸をしきい値電圧Ｖｔｈでそろえた）に示す。【０３９３】図２２（Ａ）からは、ＯＳトランジスタのサブスレッショルド領域が、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓが非常に小さな領域まで続いていることがわかる。そのため、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧが、しきい値電圧Ｖｔｈより小さな領域における広い電位範囲において、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓは、サブスレッショルド特性、すなわち、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓがフロントゲートに印加する電位ＶＦＧに対する指数関数、となる振る舞いを示す。【０３９４】ｎチャネル型トランジスタのサブスレッショルド領域において、フロントゲートに印加する電位ＶＦＧからしきい値電圧Ｖｔｈを引いた値が低いほど、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓは小さくなるため、しきい値電圧Ｖｔｈをプラスにシフトさせる（図２２（Ｂ）では、バックゲートに印加する電位ＶＢＧに負電位を与えてしきい値電圧Ｖｔｈをプラスにシフトさせ、「Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｓｈｉｆｔ  ｂｙ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ＶＢＧ」と表記）ことで、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓを小さくする（図２２（Ｂ）では、「Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ  ｄｅｃｒｅａｓｅ」と表記）ことができる。【０３９５】ＯＳトランジスタのサブスレッショルド領域は、ソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓが非常に小さな領域まで続いているため、図２２（Ｂ）に示すように、バックゲートに印加する電位ＶＢＧによってしきい値電圧Ｖｔｈを変化させることで、サブスレッショルド領域におけるソースとドレインとの間に流れる電流Ｉｄｓを大きく変化させることができる。【０３９６】以上のように、ＯＳトランジスタは、バックゲートに印加する電位ＶＢＧによってしきい値電圧Ｖｔｈの制御を行うことで、用途にあわせたさまざまな電気特性を実現することができる。【０３９７】本実施例に示す構成、方法な��は、少なくともその一部を本明細書中に記載する実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０３９８】ＣＡ：容量素子  、  ＣＢ：容量素子  、  ＣＣ：容量素子  、  Ｍ１１：トランジスタ  、  Ｍ１２：トランジスタ  、  Ｍ１３：トランジスタ  、  Ｍ１４：トランジスタ  、  Ｍ１５：トランジスタ  、  Ｍ１６：トランジスタ  、  ＳＵＢ：半導体基板  、  ５０：導電層  、  ６０：導電層  、  ７０：導電層  、  １００：メモリ  、  １０１：層  、  １１０：周辺回路  、  １２１：ローデコーダ  、  １２２：ワード線ドライバ回路  、  １３０：ビット線ドライバ回路  、  １３１：カラムデコーダ  、  １３２：プリチャージ回路  、  １３３：センスアンプ  、  １３４：回路  、  １４０：出力回路  、  １５０：コントロールロジック回路  、  １６０：ＶＢＧコントロール回路  、  ２０１：層  、  ２１０：メモリセルアレイ  、  ２１１：メモリセル  、  ２１２：メモリセル  、  ２１３：メモリセル  、  ２１４：メモリセル  、  ２２０：メモリセルアレイ  、  ２３０：メモリセルアレイ  、  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  、  ５０１：トランジスタ  、  ５０３：導電体  、  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  、  ５１５：絶縁体  、  ５１６：絶縁体  、  ５１８：導電体  、  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  、  ５４１：絶縁体  、  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  、  ５５１：酸化物  、  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  、  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  、  ５８６：絶縁体  、  ５８７：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  、  ５２００：携帯ゲーム機  、  ５２０１：筐体  、  ５２０２：表示部  、  ５２０３：ボタ��  、  ５３００：デスクトップ型情報端末  、  ５３０１：本体  、  ５３０２：ディスプレイ  、  ５３０３：キーボード  、  ５５００：情報端末  、  ５５１０：筐体  、  ５５１１：表示部  、  ５７００：自動車  、  ５７０１：表示パネル  、  ５７０２：表示パネル  、  ５７０３：表示パネル  、  ５７０４：表示パネル  、  ５８００：電気冷凍冷蔵庫  、  ５８０１：筐体  、  ５８０２：冷蔵室用扉  、  ５８０３：冷凍室用扉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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