JP2012256399A - 半導体装置および半導体装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供することを目的の一とする。
【解決手段】第１の半導体材料を用いたトランジスタと、第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料を用いたトランジスタと、容量素子とを有する複数のメモリセルを有し、書き込み期間にソース線に電源電位を供給する機能を有する電位切り替え回路を備えた半導体装置とする。これにより、半導体装置の消費電力を十分に抑えることができる。
【選択図】図２

Description

開示する発明は、半導体素子を利用した半導体装置およびその駆動方法に関するものである。

半導体素子を利用した記憶装置は、電力の供給がなくなると記憶内容が失われる揮発性のものと、電力の供給がなくなっても記憶内容は保持される不揮発性のものとに大別される。

揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。ＤＲＡＭは、記憶素子を構成するトランジスタを選択してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶する。

上述の原理から、ＤＲＡＭでは、情報を読み出すとキャパシタの電荷は失われるため、情報の読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を構成するトランジスタにおいてはオフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流（オフ電流）等によって、トランジスタが選択されていない状況でも電荷が流出、または流入するため、データの保持期間が短い。このため、所定の周期で再度の書き込み動作（リフレッシュ動作）が必要であり、消費電力を十分に低減することは困難である。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるため、長期間の記憶の保持には、磁性材料や光学材料を利用した別の記憶装置が必要となる。

揮発性記憶装置の別の例としてはＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。ＳＲＡＭは、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を保持するため、リフレッシュ動作が不要であり、この点においてはＤＲＡＭより有利である。しかし、フリップフロップなどの回路を用いているため、記憶容量あたりの単価が高くなるという問題がある。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるという点については、ＤＲＡＭと変わるところはない。

不揮発性記憶装置の代表例としては、フラッシュメモリがある。フラッシュメモリは、トランジスタのゲート電極とチャネル形成領域との間にフローティングゲートを有し、当該フローティングゲートに電荷を保持させることで記憶を行うため、データの保持期間は極めて長く（半永久的）、揮発性記憶装置で必要なリフレッシュ動作が不要であるという利点を有している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によって記憶素子を構成するゲート絶縁層が劣化するため、所定回数の書き込みによって記憶素子が機能しなくなるという問題が生じる。この問題による影響を緩和するために、例えば、各記憶素子の書き込み回数を均一化する手法が採られるが、これを実現するためには、複雑な周辺回路が必要になってしまう。そして、このような手法を採用しても、根本的な寿命の問題が解消するわけではない。つまり、フラッシュメモリは、情報の書き換え頻度が高い用途には不向きである。

また、フローティングゲートに電荷を注入させるため、または、その電荷を除去するためには、高い電圧が必要であり、また、そのための回路も必要である。さらに、電荷の注入、または除去のためには比較的長い時間を要し、書き込み、消去の高速化が容易ではないという問題もある。

特開昭５７−１０５８８９号公報

上述の問題に鑑み、開示する発明の一態様では、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供することを目的の一とする。

開示する発明では、トランジスタのオフ電流を十分に小さくすることができる材料、例えば、ワイドギャップ半導体である酸化物半導体材料を用いて半導体装置を構成する。トランジスタのオフ電流を十分に小さくすることができる半導体材料を用いることで、長期間にわたって情報を保持することが可能である。

開示する発明の一態様は、書き込みワード線と、書き込みおよび読み出しワード線と、ビット線と、ソース線と、電位切り替え回路と、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、を有し、メモリセルの一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、および第１のチャネル形成領域を含むｎチャネル型の第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、および第２のチャネル形成領域を含む第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、第１のチャネル形成領域と、第２のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のドレイン電極と、容量素子の一方の電極と、は、電気的に接続されて電荷が保持されるノードを構成し、ビット線と、第１のドレイン電極と、第２のソース電極と、は電気的に接続され、電位切り替え回路の端子の一と、ソース線と、第１のソース電極と、は電気的に接続され、書き込みおよび読み出しワード線と、容量素子の他方の電極とは、電気的に接続され、書き込みワード線と、第２のゲート電極と、は電気的に接続され、電位切り替え回路は、書き込み期間において、ソース線に電源電位を選択的に与える機能を備えた半導体装置である。

また、開示する発明の一態様は、書き込みワード線と、書き込みおよび読み出しワード線と、ビット線と、ソース線と、電位切り替え回路と、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、を有し、メモリセルの一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、および第１のチャネル形成領域を含むｎチャネル型の第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、および第２のチャネル形成領域を含む第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、第１のチャネル形成領域と、第２のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のドレイン電極と、容量素子の一方の電極と、は、電気的に接続されて電荷が保持されるノードを構成し、ビット線と、第１のドレイン電極と、第２のソース電極と、は電気的に接続され、電位切り替え回路の端子の一と、ソース線と、第１のソース電極と、は電気的に接続され、書き込みおよび読み出しワード線と、容量素子の他方の電極とは、電気的に接続され、書き込みワード線と、第２のゲート電極と、は電気的に接続され、ソース線は、複数列のメモリセルと電気的に接続され、電位切り替え回路は、書き込み期間において、ソース線に電源電位を選択的に与える機能を備えた半導体装置である。

また、上記の半導体装置のいずれかにおいて、第２のトランジスタの第２のチャネル形成領域は、酸化物半導体を含んで構成されるのが好ましい。

また、開示する発明の他の一態様は、第１のトランジスタのゲート電極と、第２のトランジスタのドレイン電極と、容量素子の電極の一方と、が電気的に接続されて構成されるノードに電荷を保持させる半導体装置の駆動方法であって、ノードに第１のトランジスタがオン状態となる電位を与える際に、第１のトランジスタのソース電極に電源電位を供給する半導体装置の駆動方法である。

また、上記の半導体装置の駆動方法において、第１のトランジスタのチャネル形成領域は、第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成される。

また、上記の半導体装置の駆動方法において、第２のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を含んで構成されるのが好ましい。

また、上記の半導体装置の駆動方法において、第１のトランジスタのソース電極に電源電位を供給する動作は、第１のトランジスタのソース電極に接続されたソース線の電位を電位切り替え回路によって制御することにより行われる。

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。

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、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「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、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。

また、本明細書等において、第１または第２などとして付される序数詞は便宜上用いるものであって、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。またこれらの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これを用いることにより極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

また、開示する発明に係る半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。また、情報を消去するための動作が不要であるというメリットもある。

また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能であるため、これを、酸化物半導体を用いたトランジスタと組み合わせて用いることにより、半導体装置の動作（例えば、情報の読み出し動作）の高速性を十分に確保することができる。また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。

半導体装置の回路図。 半導体装置の回路図。 半導体装置の回路図。 タイミングチャート図。 半導体装置の断面図および平面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置を用いた電子機器を説明するための図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 酸化物材料の結晶構造を説明する図。 計算によって得られた移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算に用いたトランジスタの断面構造を説明する図。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ特性のグラフを示す図。 試料１のトランジスタのＢＴ試験後のＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性を示す図。 試料２であるトランジスタのＢＴ試験後のＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性を示す図。 Ｉ_ｄおよび電界効果移動度のＶ_ｇ依存性を示す図。 基板温度としきい値電圧の関係および基板温度と電界効果移動度の関係を示す図。 試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す図。 トランジスタのオフ電流と測定時基板温度との関係を示す図。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を酸化物半導体膜に用い、コプラナー型であるトップゲート・トップコンタクト構造のトランジスタの上面図および断面図。 実施例２で作製したトランジスタの構造を示す上面図および断面図。

本発明の実施の形態の例について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の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、本発明は以下に示す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。

なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の基本的な回路構成およびその動作について、図１および図２を参照して説明する。なお、回路図においては、酸化物半導体を用いたトランジスタであることを示すために、ＯＳの符号を併せて付す場合がある。

＜基本回路１＞
はじめに、最も基本的な回路構成およびその動作について、図１を参照して説明する。図１（Ａ−１）に示す半導体装置において、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のソース電極（またはドレイン電極）とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６０のドレイン電極（またはソース電極）とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ１６２のソース電極（またはドレイン電極）とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のドレイン電極（またはソース電極）は、容量素子１６４の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。

ここで、トランジスタ１６２には、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタが適用される。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、トランジスタ１６０のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子１６４を有することにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易になる。

なお、トランジスタ１６０としては、ｎチャネル型のトランジスタを用いることができ、その半導体材料については特に限定されない。情報の読み出し速度を向上させるという観点からは、例えば、単結晶シリコンを用いたトランジスタなど、スイッチング速度の高いトランジスタを適用するのが好適である。

また、図１（Ｂ）に示すように、容量素子１６４を設けない構成とすることも可能である。

図１（Ａ−１）に示す半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極、および容量素子１６４に与えられる。すなわち、トランジスタ１６０のゲート電極には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位を与える電荷（以下、低電位を与える電荷を電荷Ｑ_Ｌ、高電位を与える電荷を電荷Ｑ_Ｈという）のいずれかが与えられるものとする。なお、異なる三つまたはそれ以上の電位を与える電荷を適用して、記憶容量を向上させても良い。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。

トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ１６０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。

次に、情報の読み出しについて説明する。第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ１６０のゲート電極に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ１６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極にＱ_Ｈが与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲート電極にＱ_Ｌが与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ１６０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ_０とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいてＱ_Ｈが与えられた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。Ｑ_Ｌが与えられた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１６０は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合には、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように、所定のメモリセルの情報を読み出し、それ以外のメモリセルの情報を読み出さないためには、トランジスタ１６０が並列に接続されている場合には、読み出しの対象ではないメモリセルの第５の配線に対して、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより小さい電位を与えればよい。またトランジスタ１６０が直列に接続されている場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。

次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび保持と同様に行われる。つまり、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位（新たな情報に係る電位）が、トランジスタ１６０のゲート電極および容量素子１６４に与えられる。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極は、新たな情報に係る電荷が与えられた状態となる。

このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされる高電圧を用いてのフローティングゲートからの電荷の引き抜きが不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。つまり、半導体装置の高速動作が実現される。

なお、トランジスタ１６２のドレイン電極（またはソース電極）は、トランジスタ１６０のゲート電極と電気的に接続されることにより、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。以下において、トランジスタ１６２のドレイン電極（またはソース電極）とトランジスタ１６０のゲート電極が電気的に接続される部位をノードＦＧと呼ぶ場合がある。トランジスタ１６２がオフの場合、当該ノードＦＧは絶縁体中に埋設されたと見ることができ、ノードＦＧには電荷が保持される。酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２のオフ電流は、シリコン半導体などで形成されるトランジスタの１０万分の１以下であるため、トランジスタ１６２のリークによる、ノードＦＧに蓄積された電荷の消失を無視することが可能である。つまり、酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２により、電力の供給が無くても情報の保持が可能な不揮発性の記憶装置を実現することが可能である。

例えば、トランジスタ１６２の室温（２５℃）でのオフ電流が１０ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０^−２１Ａ）以下であり、容量素子１６４の容量値が１０ｆＦ程度である場合には、少なくとも１０^４秒以上のデータ保持が可能である。なお、当該保持時間が、トランジスタ特性や容量値によって変動することはいうまでもない。

また、開示する発明の半導体装置においては、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲート絶縁層（トンネル絶縁膜）の劣化という問題が存在しない。つまり、従来問題とされていた、電子をフローティングゲートに注入する際のゲート絶縁層の劣化という問題を解消することができる。これは、原理的な書き込み回数の制限が存在しないことを意味するものである。また、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて書き込みや消去の際に必要であった高電圧も不要である。

図１（Ａ−１）に示す半導体装置は、当該半導体装置を構成するトランジスタなどの要素が抵抗および容量を含むものとして、図１（Ａ−２）のように考えることが可能である。つまり、図１（Ａ−２）では、トランジスタ１６０および容量素子１６４が、それぞれ、抵抗および容量を含んで構成されると考えていることになる。Ｒ１およびＣ１は、それぞれ、容量素子１６４の抵抗値および容量値であり、抵抗値Ｒ１は、容量素子１６４を構成する絶縁層による抵抗値に相当する。また、Ｒ２およびＣ２は、それぞれ、トランジスタ１６０の抵抗値および容量値であり、抵抗値Ｒ２はトランジスタ１６０がオン状態の時のゲート絶縁層による抵抗値に相当し、容量値Ｃ２はいわゆるゲート容量（ゲート電極と、ソース電極またはドレイン電極との間に形成される容量、及び、ゲート電極とチャネル形成領域との間に形成される容量）の容量値に相当する。

トランジスタ１６２がオフ状態にある場合のソース電極とドレイン電極の間の抵抗値（実効抵抗値とも呼ぶ）をＲＯＳとすると、トランジスタ１６２のゲートリーク電流が十分に小さい条件において、Ｒ１およびＲ２が、Ｒ１≧ＲＯＳ（Ｒ１はＲＯＳ以上）、Ｒ２≧ＲＯＳ（Ｒ２はＲＯＳ以上）を満たす場合には、電荷の保持期間（情報の保持期間ということもできる）は、主としてトランジスタ１６２のオフ電流によって決定されることになる。

逆に、当該条件を満たさない場合には、トランジスタ１６２のオフ電流が十分に小さくとも、保持期間を十分に確保することが困難になる。トランジスタ１６２のオフ電流以外のリーク電流（例えば、ソース電極とゲート電極の間において生じるリーク電流等）が大きいためである。このことから、本実施の形態において開示する半導体装置は、Ｒ１≧ＲＯＳ、およびＲ２≧ＲＯＳの関係を満たすものであることが望ましいといえる。

一方で、Ｃ１とＣ２は、Ｃ１≧Ｃ２（Ｃ１はＣ２以上）の関係を満たすことが望ましい。Ｃ１を大きくすることで、第５の配線によってノードＦＧの電位を制御する際に、第５の配線の電位を効率よくノードＦＧに与えることができるようになり、第５の配線に与える電位間（例えば、読み出しの電位と、非読み出しの電位）の電位差を低く抑えることができるためである。

このように、上述の関係を満たすことで、より好適な半導体装置を実現することが可能である。なお、Ｒ１およびＲ２は、トランジスタ１６０のゲート絶縁層や容量素子１６４の絶縁層によって制御される。Ｃ１およびＣ２についても同様である。よって、ゲート絶縁層の材料や厚さなどを適宜設定し、上述の関係を満たすようにすることが望ましい。

本実施の形態で示す半導体装置においては、ノードＦＧが、フラッシュメモリ等のフローティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用をするが、本実施の形態のノードＦＧは、フラッシュメモリ等のフローティングゲートと本質的に異なる特徴を有している。

フラッシュメモリでは、コントロールゲートに印加される電位が高いため、その電位が、隣接するセルのフローティングゲートに影響を与えないように、セルとセルとの間隔をある程度保つ必要が生じる。このことは、半導体装置の高集積化を阻害する要因の一つである。そして、当該要因は、高電界をかけてトンネル電流を発生させるというフラッシュメモリの根本的な原理に起因するものである。

一方、本実施の形態に係る半導体装置は、酸化物半導体を用いたトランジスタのスイッチングによって動作し、上述のようなトンネル電流による電荷注入の原理を用いない。すなわち、フラッシュメモリのような、電荷を注入するための高電界が不要である。これにより、隣接セルに対する、コントロールゲートによる高電界の影響を考慮する必要がないため、高集積化が容易になる。

また、高電界が不要であり、大型の周辺回路（昇圧回路など）が不要である点も、フラッシュメモリに対するアドバンテージである。例えば、本実施の形態に係るメモリセルに印加される電圧（メモリセルの各端子に同時に印加される電位の最大のものと最小のものの差）の最大値は、２段階（１ビット）の情報を書き込む場合、一つのメモリセルにおいて、５Ｖ以下、好ましくは３Ｖ以下とすることができる。

さらに、容量素子１６４を構成する絶縁層の比誘電率εｒ１と、トランジスタ１６０を構成する絶縁層の比誘電率εｒ２とを異ならせる場合には、容量素子１６４を構成する絶縁層の面積Ｓ１と、トランジスタ１６０においてゲート容量を構成する絶縁層の面積Ｓ２とが、２・Ｓ２≧Ｓ１（２・Ｓ２はＳ１以上）（望ましくはＳ２≧Ｓ１（Ｓ２はＳ１以上））を満たしつつ、Ｃ１≧Ｃ２（Ｃ１はＣ２以上）を実現することが容易である。すなわち、容量素子１６４を構成する絶縁層の面積を小さくしつつ、Ｃ１≧Ｃ２を実現することが容易である。具体的には、例えば、容量素子１６４を構成する絶縁層においては、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料でなる膜、または酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料でなる膜と酸化物半導体でなる膜との積層構造を採用してεｒ１を１０以上、好ましくは１５以上とし、トランジスタ１６０のゲート容量を構成する絶縁層においては、酸化シリコンを採用して、εｒ２＝３〜４とすることができる。

このような構成を併せて用いることで、開示する発明に係る半導体装置の、より一層の高集積化が可能である。

なお、半導体装置の記憶容量を大きくするためには、高集積化以外に、多値化の手法を採ることもできる。例えば、メモリセルの一に３段階以上の情報を書き込む構成とすることで、２段階（１ビット）の情報を書き込む場合と比較して記憶容量を増大させることができる。例えば、上述のような、低電位を与える電荷Ｑ_Ｌ、高電位を与える電荷Ｑ_Ｈに加え、他の電位を与える電荷Ｑをトランジスタ１６０のゲート電極に与えることで、多値化を実現することができる。この場合、比較的規模の大きい回路構成（例えば、１５Ｆ^２〜５０Ｆ^２など：Ｆは最小加工寸法）を採用しても十分な記憶容量を確保することができる。

＜基本回路２＞
次に、より具体化された回路構成およびその動作について、図２を参照して説明する。図２には、行方向に２個配置されたメモリセルの構成を図示する。図２において、メモリセル１７０の構成は、図１（Ａ−１）と同様である。すなわち、図１（Ａ−１）における第１の配線が図２におけるソース線ＳＬに相当し、図１（Ａ−１）における第４の配線が図２における書き込みワード線ＯＳＧに相当し、図１（Ａ−１）における第５の配線が図２における書き込みおよび読み出しワード線Ｃに相当する。一方で、図１（Ａ−１）における第２の配線と第３の配線とが共通化され、図２ではビット線ＢＬとなっている。また、図２において、ソース線ＳＬは複数列（図２では２列）のメモリセルにおいて、共通化された構造を有している。なお、ソース線ＳＬを共通化する列数は、２列に限られるものではなく、３列以上のメモリセルにおいてソース線ＳＬを共通化してもよい。また、ソース線ＳＬを複数行のメモリセルにおいて共通化してもよく、複数列および複数行のメモリセルにおいて共通化してもよい。

図２において、ソース線ＳＬは、ソース線切り替え回路１９４と接続されている。ここで、ソース線切り替え回路１９４は、ソース線ＳＬの他に、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢに接続されている。ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢは、書き込みまたは読み出しの期間の制御を行うことで、ソース線切り替え回路１９４へ、信号経路を切り替えるための信号を伝達する配線である。

データの書き込み、保持、および読み出しは、図１の場合と同様である。ここでは一例として、ノードＦＧに電源電位ＶＤＤまたは基準電位ＧＮＤのいずれかを与える場合について説明する。なお、ノードＦＧに電源電位ＶＤＤを与えた場合に保持されるデータをデータ”１”、ノードＦＧに基準電位ＧＮＤを与えた場合に保持されるデータをデータ”０”とする。

具体的な書き込みの動作は次の通りである。まず、メモリセル１７０に接続される書き込みおよび読み出しワード線Ｃの電位をＧＮＤとし、書き込みワード線ＯＳＧの電位をＶＤＤとしてメモリセル１７０を選択する。これにより、ビット線ＢＬの電位が、選択されたメモリセル１７０のノードＦＧに供給される。

ここで、ノードＦＧに電源電位ＶＤＤが与えられる場合（すなわち、データ”１”が保持される場合）には、トランジスタ１６０のゲート電極にオン状態となる電位が与えられることとなる。その場合において、ビット線ＢＬとソース線ＳＬに電流が生じてノードＦＧに書き込む電位が減少することを抑制するために、ソース線ＳＬの電位を電源電位ＶＤＤとする必要がある。

そこで、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢの信号によってソース線切り替え回路１９４の信号経路を切り換える。すなわち、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢに書き込み動作が実現される信号を入力し、且つ、ソース線切り替え回路１９４の信号経路を切り換えることで、ソース線ＳＬに電源電位ＶＤＤを供給する。

当該動作の特徴は、書き込み時において、ソース線ＳＬの電位を電源電位ＶＤＤとする点にある。これにより、ノードＦＧにトランジスタ１６０がオン状態となる電位が与えられる場合でも、ビット線ＢＬとソース線ＳＬに電流が生じることを抑制できる。

なお、メモリセル１７０にデータ”０”を書き込む場合には、ビット線ＢＬにはＧＮＤを与える。また、メモリセル１７０にデータ”１”を書き込む場合には、ビット線ＢＬの電位をＶＤＤとする。なお、メモリセルにデータ”１”を書き込む場合には、トランジスタ１６２のしきい値（以下、Ｖｔｈ_＿ｏｓ）電圧分降下させないためにビット線ＢＬには、ＶＤＤ＋Ｖｔｈ_＿ｏｓを与える。または、書き込みワード線ＯＳＧの電位を高電位（ＶＨ：具体的には、ビット線ＢＬの電位＋Ｖｔｈ_＿ｏｓよりも高い電位）としてもよい。

データの保持は、書き込みおよび読み出しワード線Ｃの電位および書き込みワード線ＯＳＧの電位を、ＧＮＤよりＶＤＤ低い電位（以下、ＶＬ）とすることにより行われる。

書き込みおよび読み出しワード線Ｃの電位をＧＮＤからＶＬに低下させると、ノードＦＧの電位は容量素子１６４との容量結合によってＧＮＤ−ＶＬ（＝ＶＤＤ）低下する。このため、ノードＦＧにデータ”１”であるＶＤＤが与えられている場合、ノードＦＧの電位はＶＤＤ低下してＧＮＤとなり、ノードＦＧにデータ”０”であるＧＮＤが与えられていれば、ノードＦＧの電位はＶＤＤ低下してＧＮＤ−ＶＤＤ（＝ＶＬ）となる。

書き込みワード線ＯＳＧにはＶＬが与えられているため、データ”１”とデータ”０”のいずれが書き込まれた場合でも、トランジスタ１６２はオフ状態となる。トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ１６０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。

データの読み出しは、書き込みおよび読み出しワード線Ｃの電位をＧＮＤとし、書き込みワード線ＯＳＧの電位をＶＬとすることにより行われる。

書き込みおよび読み出しワード線Ｃの電位をＶＬからＧＮＤに上昇させると、ノードＦＧの電位は容量素子１６４との容量結合によってＧＮＤ−ＶＬ（＝ＶＤＤ）上昇する。このため、ノードＦＧにデータ”１”が書き込まれている場合、ノードＦＧの電位はＶＤＤ上昇してＶＤＤとなる。一方、ノードＦＧにデータ”０”が書き込まれていれば、ノードＦＧの電位はＶＤＤ上昇してＶＬ＋ＶＤＤ（＝ＧＮＤ）となる。

なお、読み出しにおいては、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢの信号によってソース線切り替え回路１９４の信号経路を切り換える。当該動作により、ソース線ＳＬにはＧＮＤが与えられることになる。

上述の読み出し動作により、メモリセル１７０にデータ”１”が書き込まれている場合には、トランジスタ１６０がオン状態となり、ビット線ＢＬの電位が低下する。また、データ”０”が書き込まれている場合には、トランジスタ１６０がオフ状態となり、読み出し開始時のビット線ＢＬの電位が維持されるか、または上昇する。

以上のように、図２に示す回路構成の半導体装置では、ソース線ＳＬを複数列で共通化することで、メモリセルアレイの面積の縮小を図ることができるため、ダイサイズの縮小を実現することができる。また、ダイサイズの縮小により、半導体装置作製のコストを低減することができ、または、歩留まりを向上させることができる。

＜応用例＞
次に、上述の基本回路をマトリクス状に配列した半導体装置の一例について図３および図４を参照して説明する。

図３に、（ｍ×ｎ）個のメモリセル１７０を有する半導体装置の回路図の一例を示す。図３において、メモリセル１７０の構成は、図１（Ａ−１）と同様である。すなわち、図１（Ａ−１）における第１の配線が図３におけるソース線ＳＬに相当し、図１（Ａ−１）における第４の配線が図３における書き込みワード線ＯＳＧに相当し、図１（Ａ−１）における第５の配線が図３における書き込みおよび読み出しワード線Ｃに相当する。一方で、図１（Ａ−１）における第２の配線と第３の配線とが共通化され、図３ではビット線ＢＬとなっている。また、図３において、ソース線ＳＬは複数列（図３においては、ｎ列）において共通化された構造を有している。なお、ソース線ＳＬを共通化する列数は、図３の構成に限られるものではない。例えば、ｎ列のメモリセルに対して２本以上ｎ本未満のソース線ＳＬを有する構成としてもよい。

本実施の形態に係る半導体装置は、ｍ本（ｍは２以上の整数）の書き込みワード線ＯＳＧと、ｍ本の書き込みおよび読み出しワード線Ｃと、ｎ本（ｎは２以上の整数）のビット線ＢＬと、ソース線ＳＬと、メモリセル１７０が縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、第１の駆動回路１９０と、第２の駆動回路１９２と、ソース線切り替え回路１９４と、を有する。

第１の駆動回路１９０には、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢ、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢ、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢ、アドレス選択信号線Ａ、データ入力信号線ＤＩＮ、データ出力信号線ＤＯＵＴ、およびビット線ＢＬが接続されている。

チップイネーブルバー信号線ＣＥＢは、半導体装置を選択またはアクティブにする信号が入力される。なお、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢは、必ずしも設けなくともよい。また、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢは、書き込み動作を判別する信号が入力される。また、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢは、読み出し動作を判別する信号が入力される。本実施の形態では、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢ、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢ、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢ、のそれぞれは、Ｌｏｗ（ロー）電位が入力されるとアクティブになるが、本発明の実施はこれに限られず、Ｈｉｇｈ（ハイ）電位が入力されるとアクティブになる回路構成としてもよい。

データ入力信号線ＤＩＮは、メモリセル１７０に書き込むデータが入力される端子である。また、データ出力信号線ＤＯＵＴは、メモリセル１７０に書き込まれたデータを出力する端子である。データ入力信号線ＤＩＮ、およびデータ出力信号線ＤＯＵＴは、第１の駆動回路１９０の回路構成によって、それぞれ１本〜複数本となる。なお、データ入力信号線ＤＩＮとデータ出力信号線ＤＯＵＴとを一纏めとしたデータ入出力信号線として、メモリセル１７０に書き込むデータを入力する機能と、メモリセル１７０に書き込まれたデータを出力する機能と、を兼ね備えた信号線としてもよい。

アドレス選択信号線Ａは、メモリセル１７０のアドレスを選択する信号が入力される端子である。アドレス選択信号線Ａは、メモリセルの行数および列数、第１の駆動回路１９０の回路構成、第２の駆動回路１９２の回路構成等によって、１本〜複数本となる。

また、第１の駆動回路１９０内に、入力データおよび出力データを一時的に保存するデータラッチ回路や、ページバッファ等を設けてもよい。

第２の駆動回路１９２には、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢ、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢ、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢ、アドレス選択信号線Ａ、書き込みワード線ＯＳＧ、および書き込みおよび読み出しワード線Ｃが接続されている。なお、メモリセル１７０のノードＦＧに書き込む電位をトランジスタ１６２のしきい値（以下、Ｖｔｈ_＿ｏｓ）電圧分降下させないためには、書き込みワード線ＯＳＧの電位を高電位（ＶＨ：具体的には、ビット線ＢＬの電位＋Ｖｔｈ_＿ｏｓよりも高い電位）とする必要がある。そこで、ＶＨを生成するために、第２の駆動回路１９２内に、昇圧回路を設けてもよい。

ソース線切り替え回路１９４には、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢ、ソース線ＳＬが接続されている。ソース線切り替え回路１９４は、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢの電位によって、ソース線ＳＬの電位を切り替える機能を有する。

図４には、図３に係る半導体装置のタイミングチャートの一例を示す。タイミングチャート中のＣＥＢ、ＷＥＢ等の名称は、タイミングチャートに示す電位が与えられる配線を示しており、同様の機能を有する配線が複数ある場合には、配線の名称の末尾に＿１、＿２等を付すことで区別している。

図４に示されるタイミングチャートは１行１列のメモリセルにデータ”１”、１行ｎ列のメモリセルにデータ”０”、ｍ行１列のメモリセルにデータ”０”、ｍ行ｎ列のメモリセルにデータ”１”をそれぞれ書き込み、その後、書き込まれた全データを読み出す場合の各配線の電位の関係を示すものである。

書き込み期間において、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢ、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢをＬｏｗ電位にし、アドレス選択信号線Ａから書き込みを行うメモリセルのアドレスを指定することで書き込みが行える状態にする。そして、データ入力信号線ＤＩＮからデータを入力することで書き込みを行う。第１の駆動回路１９０はビット線ＢＬに書き込みデータを出力する。第２の駆動回路１９２は選択行の書き込みワード線ＯＳＧと、選択行の書き込み及び読み出しワード線ＣにＨｉｇｈ電位を出力する。ソース線切り替え回路１９４は、ソース線ＳＬにＨｉｇｈ電位を出力する。

書き込み期間において、行選択タイミングに合わせて、ビット線ＢＬに書き込みデータが第１の駆動回路１９０より出力される。データ”１”を書き込む場合のビット線ＢＬはＨｉｇｈ電位、データ”０”を書き込む場合のビット線ＢＬはＬｏｗ電位となる。尚、ビット線ＢＬの信号入力期間は、選択行の書き込みワード線ＯＳＧと、選択行の書き込み及び読み出しワード線Ｃの信号入力期間より長くなるようにする。ビット線ＢＬの信号入力期間が短いと、メモリセルへのデータの誤書き込みが生じるためである。

読み出し期間において、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢ、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢをＬｏｗ電位にし、アドレス選択信号線Ａから読み出しを行うメモリセルのアドレスを指定することで読み出しが行える状態にする。第１の駆動回路１９０はメモリセルからビット線ＢＬを介して読み出したデータを、データ出力信号線ＤＯＵＴに出力する。第２の駆動回路１９２は、選択行の書き込み及び読み出しワード線ＣにＨｉｇｈ電位を出力する。書き込みワード線ＯＳＧは、選択、非選択に係わらずＬｏｗ電位となる。

読み出し期間において、行選択タイミングに合わせて、ビット線ＢＬにメモリセルに書き込まれているデータに応じた電位が出力される。メモリセルに、データ”１”が書き込まれていればビット線ＢＬはＬｏｗ電位に、データ”０”が書き込まれていればビット線ＢＬはＨｉｇｈ電位となる。

なお、スタンバイ及びデータ保持期間においては、チップイネーブルバー信号線ＣＥＢを高電位（例えば、電源電位）にして、メモリセルを非選択、もしくはディセーブルとする。この場合、書き込みも読み出しも行われないため、ライトイネーブルバー信号線ＷＥＢ、リードイネーブルバー信号線ＲＥＢ等の電位は、Ｈｉｇｈ電位でもＬｏｗ電位でも構わない。

以上のように、図３に示す回路構成の半導体装置では、ソース線ＳＬを複数列で共通化することで、メモリセルアレイの面積の縮小を図ることができるため、ダイサイズの縮小を実現することができる。また、ダイサイズの縮小により、半導体装置作製のコストを低減することができ、または、歩留まりを向上させることができる。

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。

（実施の形態２）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成およびその作製方法について図５乃至図１０を参照して説明する。

＜半導体装置の断面構成および平面構成＞
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）には、半導体装置の断面を、図５（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。図５（Ａ）は、図５（Ｂ）のＡ１−Ａ２およびＢ１−Ｂ２における断面に相当する。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有する。第１の半導体材料と第２の半導体材料とは異なる材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。図５に示す半導体装置は、メモリセルとして用いることができる。

なお、開示する発明の技術的な本質は、情報を保持するために酸化物半導体のようなオフ電流を十分に低減することが可能な半導体材料をトランジスタ１６２に用いる点にあるから、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。

図５におけるトランジスタ１６０は、半導体基板５００上の半導体層中に設けられたチャネル形成領域１３４と、チャネル形成領域１３４を挟むように設けられた不純物領域１３２（ソース領域およびドレイン領域とも記す）と、チャネル形成領域１３４上に設けられたゲート絶縁層１２２ａと、ゲート絶縁層１２２ａ上にチャネル形成領域１３４と重畳するように設けられたゲート電極１２８ａと、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。また、ドレイン電極との記載には、ドレイン領域が含まれうる。

また、半導体基板５００上の半導体層中に設けられた不純物領域１２６には、導電層１２８ｂが接続されている。ここで、導電層１２８ｂは、トランジスタ１６０のソース電極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域１３２と不純物領域１２６との間には、不純物領域１３０が設けられている。また、トランジスタ１６０を覆うように絶縁層１３６、絶縁層１３８、および絶縁層１４０が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図５に示すようにトランジスタ１６０がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１６０の特性を重視する場合には、ゲート電極１２８ａの側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１３２を設けても良い。

図５におけるトランジスタ１６２は、絶縁層１４０などの上に設けられた酸化物半導体層１４４と、酸化物半導体層１４４と電気的に接続されているソース電極（またはドレイン電極）１４２ａ、およびドレイン電極（またはソース電極）１４２ｂと、酸化物半導体層１４４、ソース電極１４２ａ、およびドレイン電極１４２ｂ、を覆うゲート絶縁層１４６と、ゲート絶縁層１４６上に酸化物半導体層１４４と重畳するように設けられたゲート電極１４８ａと、を有する。

ここで、酸化物半導体層１４４は水素などの不純物が十分に除去されることにより、または、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具体的には、例えば、酸化物半導体層１４４の水素濃度は５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、望ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より望ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１４４中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体層１４４では、キャリア濃度が１×１０^１２／ｃｍ^３未満、望ましくは、１×１０^１１／ｃｍ^３未満、より望ましくは１．４５×１０^１０／ｃｍ^３未満となる。例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０^−２１Ａ）以下、望ましくは１０ｚＡ以下となる。このように、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１６２を得ることができる。

なお、図５のトランジスタ１６２では、微細化に起因して素子間に生じるリークを抑制するために、島状に加工された酸化物半導体層１４４を用いているが、島状に加工されていない構成を採用しても良い。酸化物半導体層を島状に加工しない場合には、加工の際のエッチングによる酸化物半導体層１４４の汚染を防止できる。

図５における容量素子１６４は、ドレイン電極１４２ｂ、ゲート絶縁層１４６、および導電層１４８ｂ、とで構成される。すなわち、ドレイン電極１４２ｂは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１４８ｂは、容量素子１６４の他方の電極として機能することになる。このような構成とすることにより、十分な容量を確保することができる。また、酸化物半導体層１４４とゲート絶縁層１４６とを積層させる場合には、ドレイン電極１４２ｂと、導電層１４８ｂとの絶縁性を十分に確保することができる。さらに、容量が不要の場合は、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。

本実施の形態では、トランジスタ１６２および容量素子１６４が、トランジスタ１６０と少なくとも一部が重畳するように設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、高集積化を図ることができる。例えば、最小加工寸法をＦとして、メモリセルの占める面積を１５Ｆ^２〜２５Ｆ^２とすることが可能である。

トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には、絶縁層１５０が設けられている。そして、ゲート絶縁層１４６および絶縁層１５０に形成された開口には、配線１５４が設けられている。配線１５４は、メモリセルの一と他のメモリセルとを接続する配線であり、図２の回路図におけるビット線ＢＬに相当する。配線１５４は、ソース電極１４２ａと、導電層１２８ｂとを介して、不純物領域１２６に接続されている。これにより、トランジスタ１６０におけるソース領域またはドレイン領域と、トランジスタ１６２におけるソース電極１４２ａと、をそれぞれ異なる配線に接続する場合と比較して、配線の数を削減することができるため、半導体装置の集積度を向上させることができる。

また、導電層１２８ｂを設けることにより、不純物領域１２６とソース電極１４２ａの接続する位置と、ソース電極１４２ａと配線１５４との接続する位置を、重畳して設けることができる。このような平面レイアウトを採用することにより、コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制することができる。つまり、半導体装置の集積度を高めることができる。

＜ＳＯＩ基板の作製方法＞
次に、上記半導体装置の作製に用いられるＳＯＩ基板の作製方法の一例について、図６を参照して説明する。

まず、ベース基板として半導体基板５００を準備する（図６（Ａ）参照）。半導体基板５００としては、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板などの半導体基板を用いることができる。また、半導体基板として、太陽電池級シリコン（ＳＯＧ−Ｓｉ：Ｓｏｌａｒ Ｇｒａｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ）基板などを用いても良い。また、多結晶半導体基板を用いても良い。太陽電池級シリコンや、多結晶半導体基板などを用いる場合には、単結晶シリコン基板などを用いる場合と比較して、製造コストを抑制することができる。

なお、半導体基板５００に変えて、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、サファイア基板が挙げられる。また、窒化シリコンと酸化アルミニウムを主成分とした熱膨張係数がシリコンに近いセラミック基板を用いてもよい。

半導体基板５００は、その表面をあらかじめ洗浄しておくことが好ましい。具体的には、半導体基板５００に対して、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）等を用いて洗浄を行うのが好ましい。

次に、ボンド基板を準備する。ここでは、ボンド基板として単結晶半導体基板５１０を用いる（図６（Ｂ）参照）。なお、ここでは、ボンド基板として単結晶のものを用いるが、ボンド基板の結晶性を単結晶に限る必要はない。

単結晶半導体基板５１０としては、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板など、第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板を用いることもできる。市販のシリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）、直径１６インチ（４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、単結晶半導体基板５１０の形状は円形に限らず、例えば、矩形等に加工したものであっても良い。また、単結晶半導体基板５１０は、ＣＺ（チョクラルスキー）法やＦＺ（フローティングゾーン）法を用いて作製することができる。

単結晶半導体基板５１０の表面には酸化膜５１２を形成する（図６（Ｃ）参照）。なお、汚染物除去の観点から、酸化膜５１２の形成前に、塩酸過酸化水素水混合溶液（ＨＰＭ）、硫酸過酸化水素水混合溶液（ＳＰＭ）、アンモニア過酸化水素水混合溶液（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）、ＦＰＭ（フッ酸、過酸化水素水、純水の混合液）等を用いて単結晶半導体基板５１０の表面を洗浄しておくことが好ましい。希フッ酸とオゾン水を交互に吐出して洗浄してもよい。

酸化膜５１２は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を単層で、または積層させて形成することができる。上記酸化膜５１２の作製方法としては、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などがある。また、ＣＶＤ法を用いて酸化膜５１２を形成する場合、良好な貼り合わせを実現するためには、テトラエトキシシラン（略称；ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）等の有機シランを用いて酸化シリコン膜を形成することが好ましい。

本実施の形態では、単結晶半導体基板５１０に熱酸化処理を行うことにより酸化膜５１２（ここでは、ＳｉＯ_ｘ膜）を形成する。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。

例えば、塩素（Ｃｌ）が添加された酸化性雰囲気中で単結晶半導体基板５１０に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された酸化膜５１２を形成することができる。この場合、酸化膜５１２は、塩素原子を含有する膜となる。このような塩素酸化により、外因性の不純物である重金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等）を捕集して金属の塩化物を形成し、これを外方に除去して単結晶半導体基板５１０の汚染を低減させることができる。

なお、酸化膜５１２に含有させるハロゲン原子は塩素原子に限られない。酸化膜５１２にはフッ素原子を含有させてもよい。単結晶半導体基板５１０表面をフッ素酸化する方法としては、ＨＦ溶液に浸漬させた後に酸化性雰囲気中で熱酸化処理を行う方法や、ＮＦ_３を酸化性雰囲気に添加して熱酸化処理を行う方法などがある。

次に、イオンを電界で加速して単結晶半導体基板５１０に照射し、添加することで、単結晶半導体基板５１０の所定の深さに結晶構造が損傷した脆化領域５１４を形成する（図６（Ｄ）参照）。

脆化領域５１４が形成される領域の深さは、イオンの運動エネルギー、イオンの質量と電荷、イオンの入射角などによって調節することができる。また、脆化領域５１４は、イオンの平均侵入深さとほぼ同じ深さの領域に形成される。このため、イオンを添加する深さで、単結晶半導体基板５１０から分離される単結晶半導体層の厚さを調節することができる。例えば、単結晶半導体層の厚さが、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度となるように平均侵入深さを調節すれば良い。

当該イオンの照射処理は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表例としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種を被処理体に照射する非質量分離型の装置がある。当該装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで被処理体に照射することになる。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置では、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する。

本実施の形態では、イオンドーピング装置を用いて、水素を単結晶半導体基板５１０に添加する例について説明する。ソースガスとしては水素を含むガスを用いる。照射するイオンについては、Ｈ_３ ^＋の比率を高くすると良い。具体的には、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋の総量に対してＨ_３ ^＋の割合が５０％以上（より好ましくは８０％以上）となるようにする。Ｈ_３ ^＋の割合を高めることで、イオン照射の効率を向上させることができる。

なお、添加するイオンは水素に限定されない。ヘリウムなどのイオンを添加しても良い。また、添加するイオンは一種類に限定されず、複数種類のイオンを添加しても良い。例えば、イオンドーピング装置を用いて水素とヘリウムとを同時に照射する場合には、異なる工程で照射する場合と比較して工程数を低減することができると共に、後の単結晶半導体層の表面荒れを抑えることが可能である。

なお、イオンドーピング装置を用いて脆化領域５１４を形成する場合には、重金属も同時に添加されるおそれがあるが、ハロゲン原子を含有する酸化膜５１２を介してイオンの照射を行うことによって、これら重金属による単結晶半導体基板５１０の汚染を防ぐことができる。

次に、半導体基板５００と、単結晶半導体基板５１０とを対向させ、酸化膜５１２を介して密着させる。これにより、半導体基板５００と、単結晶半導体基板５１０とが貼り合わされる（図６（Ｅ）参照）。なお、単結晶半導体基板５１０と貼り合わせる半導体基板５００の表面に酸化膜または窒化膜を成膜してもよい。

貼り合わせの際には、半導体基板５００または単結晶半導体基板５１０の一箇所に、０．００１Ｎ／ｃｍ^２以上１００Ｎ／ｃｍ^２以下、例えば、１Ｎ／ｃｍ^２以上２０Ｎ／ｃｍ^２以下の圧力を加えることが望ましい。圧力を加えて、貼り合わせ面を接近、密着させると、密着させた部分において半導体基板５００と酸化膜５１２の接合が生じ、当該部分を始点として自発的な接合がほぼ全面におよぶ。この接合には、ファンデルワールス力や水素結合が作用しており、常温で行うことができる。

なお、単結晶半導体基板５１０と半導体基板５００とを貼り合わせる前には、貼り合わせに係る表面につき、表面処理を行うことが好ましい。表面処理を行うことで、単結晶半導体基板５１０と半導体基板５００との界面での接合強度を向上させることができる。

表面処理としては、ウェット処理、ドライ処理、またはウェット処理とドライ処理の組み合わせ、を用いることができる。また、異なるウェット処理どうしを組み合わせて用いても良いし、異なるドライ処理どうしを組み合わせて用いても良い。

なお、貼り合わせの後には、接合強度を増加させるための熱処理を行ってもよい。この熱処理の温度は、脆化領域５１４における分離が生じない温度（例えば、室温以上４００℃未満）とする。また、この温度範囲で加熱しながら、半導体基板５００と酸化膜５１２とを接合させてもよい。上記熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。なお、上記温度条件はあくまで一例に過ぎず、開示する発明の一態様がこれに限定して解釈されるものではない。

次に、熱処理を行うことにより、単結晶半導体基板５１０を脆化領域５１４において分離して、半導体基板５００上に、酸化膜５１２を介して単結晶半導体層５１６を形成する（図６（Ｆ）参照）。

なお、上記分離の際の熱処理温度は、できる限り低いものであることが望ましい。分離の際の温度が低いほど、単結晶半導体層５１６の表面荒れを抑制できるためである。具体的には、例えば、上記分離の際の熱処理温度は、３００℃以上６００℃以下とすればよく、４００℃以上５００℃以下とすると、より効果的である。

なお、単結晶半導体基板５１０を分離した後には、単結晶半導体層５１６に対して、５００℃以上の温度で熱処理を行い、単結晶半導体層５１６中に残存する水素の濃度を低減させてもよい。

次に、単結晶半導体層５１６の表面にレーザー光を照射することによって、表面の平坦性を向上させ、かつ欠陥を低減させた単結晶半導体層５１８を形成する（図６（Ｇ）参照）。なお、レーザー光の照射処理に代えて、熱処理を行っても良い。

なお、本実施の形態においては、単結晶半導体層５１６の分離に係る熱処理の直後に、レーザー光の照射処理を行っているが、本発明の一態様はこれに限定して解釈されない。単結晶半導体層５１６の分離に係る熱処理の後にエッチング処理を施して、単結晶半導体層５１６表面の欠陥が多い領域を除去してから、レーザー光の照射処理を行っても良いし、単結晶半導体層５１６表面の平坦性を向上させてからレーザー光の照射処理を行ってもよい。なお、上記エッチング処理としては、ウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いてもよい。また、本実施の形態においては、上述のようにレーザー光を照射した後、単結晶半導体層５１６の膜厚を小さくする薄膜化工程を行ってもよい。単結晶半導体層５１６の薄膜化には、ドライエッチングまたはウェットエッチングの一方、または双方を用いればよい。

以上の工程により、良好な特性の単結晶半導体層５１８を有するＳＯＩ基板を得ることができる（図６（Ｇ）参照）。

＜半導体装置の作製方法＞
次に、上記のＳＯＩ基板を用いた半導体装置の作製方法について、図７乃至図１０を参照して説明する。

＜下部のトランジスタの作製方法＞
はじめに下部のトランジスタ１６０の作製方法について、図７および図８を参照して説明する。なお、図７および図８は、図６に示す方法で作成したＳＯＩ基板の一部であって、図５（Ａ）に示す下部のトランジスタに相当する断面工程図である。

まず、単結晶半導体層５１８を島状に加工して、半導体層１２０を形成する（図７（Ａ）参照）。なお、この工程の前後において、トランジスタのしきい値電圧を制御するために、ｎ型の導電性を付与する不純物元素や、ｐ型の導電性を付与する不純物元素を半導体層に添加してもよい。半導体がシリコンの場合、ｎ型の導電性を付与する不純物元素としては、例えば、リンや砒素などを用いることができる。また、ｐ型の導電性を付与する不純物元素としては、例えば、硼素、アルミニウム、ガリウムなどを用いることができる。

次に、半導体層１２０を覆うように絶縁層１２２を形成する（図７（Ｂ）参照）。絶縁層１２２は、後にゲート絶縁層となるものである。絶縁層１２２は、例えば、半導体層１２０表面の熱処理（熱酸化処理や熱窒化処理など）によって形成することができる。熱処理に代えて、高密度プラズマ処理を適用しても良い。高密度プラズマ処理は、例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガス、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などのうちいずかの混合ガスを用いて行うことができる。もちろん、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて絶縁層を形成しても良い。当該絶縁層１２２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））等を含む単層構造または積層構造とすることが望ましい。また、絶縁層１２２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて、酸化シリコンを含む絶縁層を単層で形成することとする。

次に、絶縁層１２２上にマスク１２４を形成し、ｎ型の導電性を付与する不純物元素を半導体層１２０に添加して、不純物領域１２６を形成する（図７（Ｃ）参照）。なお、ここでは、不純物元素を添加した後、マスク１２４は除去する。

次に、絶縁層１２２上にマスクを形成し、絶縁層１２２が不純物領域１２６と重畳する領域の一部を除去することにより、ゲート絶縁層１２２ａを形成する（図７（Ｄ）参照）。絶縁層１２２の除去方法として、ウェットエッチングまたはドライエッチングなどのエッチング処理を用いることができる。

次に、ゲート絶縁層１２２ａ上にゲート電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工して、ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂを形成する（図７（Ｅ）参照）。

ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂに用いる導電層としては、アルミニウムや銅、チタン、タンタル、タングステン等の金属材料を用いて形成することができる。また、多結晶シリコンなどの半導体材料を用いて、導電層を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。また、導電層の加工は、レジストマスクを用いたエッチングによって行うことができる。

次に、ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂをマスクとして、一導電型を付与する不純物元素を半導体層に添加して、チャネル形成領域１３４、不純物領域１３２、および不純物領域１３０を形成する（図８（Ａ）参照）。ここでは、ｎ型トランジスタを形成するために、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などの不純物元素を添加する。ここで、添加される不純物元素の濃度は適宜設定することができる。また、不純物元素を添加した後には、活性化のための熱処理を行う。ここで、不純物領域の濃度は、不純物領域１２６、不純物領域１３２、不純物領域１３０の順に高くなる。

次に、ゲート絶縁層１２２ａ、ゲート電極１２８ａ、導電層１２８ｂを覆うように、絶縁層１３６、絶縁層１３８および絶縁層１４０を形成する（図８（Ｂ）参照）。

絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。特に、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０に誘電率の低い（ｌｏｗ−ｋ）材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能になるため好ましい。なお、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０には、これらの材料を用いた多孔性の絶縁層を適用しても良い。多孔性の絶縁層では、密度の高い絶縁層と比較して誘電率が低下するため、電極や配線に起因する容量をさらに低減することが可能である。また、絶縁層１３６や絶縁層１３８、絶縁層１４０は、ポリイミド、アクリル等の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。本実施の形態では、絶縁層１３６として酸化窒化シリコン、絶縁層１３８として窒化酸化シリコン、絶縁層１４０として酸化シリコンを用いる場合について説明する。なお、ここでは、絶縁層１３６、絶縁層１３８および絶縁層１４０の積層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。１層または２層としても良いし、４層以上の積層構造としても良い。

次に、絶縁層１３８および絶縁層１４０にＣＭＰ（化学的機械研磨）処理やエッチング処理を行うことにより、絶縁層１３８および絶縁層１４０を平坦化する（図８（Ｃ）参照）。ここでは、絶縁層１３８が一部露出されるまで、ＣＭＰ処理を行う。絶縁層１３８に窒化酸化シリコンを用い、絶縁層１４０に酸化シリコンを用いた場合、絶縁層１３８はエッチングストッパとして機能する。

次に、絶縁層１３８および絶縁層１４０にＣＭＰ処理やエッチング処理を行うことにより、ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂの上面を露出させる（図８（Ｄ）参照）。ここでは、ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂが一部露出されるまで、エッチング処理を行う。当該エッチング処理は、ドライエッチングを用いることが好適であるが、ウェットエッチングを用いてもよい。ゲート電極１２８ａおよび導電層１２８ｂの一部を露出させる工程において、後に形成されるトランジスタ１６２の特性を向上させるために、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０の表面は可能な限り平坦にしておくことが好ましい。

以上の工程により、下部のトランジスタ１６０を形成することができる（図８（Ｄ）参照）。

なお、上記の各工程の前後には、さらに電極や配線、半導体層、絶縁層などを形成する工程を含んでいても良い。例えば、配線の構造として、絶縁層および導電層の積層構造でなる多層配線構造を採用して、高度に集積化した半導体装置を実現することも可能である。

＜上部のトランジスタの作製方法＞
次に、上部のトランジスタ１６２の作製方法について、図９および図１０を参照して説明する。

まず、ゲート電極１２８ａ、導電層１２８ｂ、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０などの上に酸化物半導体層を形成し、当該酸化物半導体層を加工して、酸化物半導体層１４４を形成する（図９（Ａ）参照）。なお、酸化物半導体層を形成する前に、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶縁層１４０の上に、下地として機能する絶縁層を設けても良い。当該絶縁層は、スパッタリング法をはじめとするＰＶＤ法やプラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法などを用いて形成することができる。

用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。

また、酸化物半導体層に用いる材料としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料や、一元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｏ系の材料などを用いることができる。また、上記の材料にＳｉＯ_２を含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ―Ａ）^２＋（ｂ―Ｂ）^２＋（ｃ―Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいい、ｒは、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。

酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。

アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い移動度を得ることができる。

また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。

なお、Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。

なお、上記において、Ｓ_０は、測定面（座標（ｘ_１，ｙ_１）（ｘ_１，ｙ_２）（ｘ_２，ｙ_１）（ｘ_２，ｙ_２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ_０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。

また、酸化物半導体層は、化学式ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いた薄膜とすることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどを用いることができる。

また、酸化物半導体層の厚さは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下とするのが望ましい。酸化物半導体層を厚くしすぎると（例えば、膜厚を５０ｎｍ以上）、トランジスタがノーマリーオンとなってしまう恐れがあるためである。

酸化物半導体層は、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が混入しにくい方法で作製するのが望ましい。例えば、スパッタリング法などを用いて作製することができる。

また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。

また、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物は、ＩＴＺＯと呼ぶことができ、用いるターゲットの組成比は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎが原子数比で、１：２：２、２：１：３、１：１：１、または２０：４５：３５などとなる酸化物ターゲットを用いる。

本実施の形態では、酸化物半導体層を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成する。

Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物ターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の酸化物ターゲットを用いることができる。なお、ターゲットの材料および組成を上述に限定する必要はない。例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比の酸化物ターゲットを用いることもできる。

酸化物ターゲットの充填率は、９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下とする。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体層を緻密な膜とすることができるためである。

成膜の雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または、希ガスと酸素の混合雰囲気下などとすればよい。また、酸化物半導体層への水素、水、水酸基、水素化物などの混入を防ぐために、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が十分に除去された高純度ガスを用いた雰囲気とすることが望ましい。

例えば、酸化物半導体層は、次のように形成することができる。

まず、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度が、２００℃を超えて５００℃以下、好ましくは３００℃を超えて５００℃以下、より好ましくは３５０℃以上４５０℃以下となるように加熱する。

次に、成膜室内の残留水分を除去しつつ、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が十分に除去された高純度ガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板上に酸化物半導体層を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、排気手段として、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの吸着型の真空ポンプを用いることが望ましい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）などが除去されているため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物などの不純物の濃度を低減することができる。

成膜中の基板温度が低温（例えば、１００℃以下）の場合、酸化物半導体に水素原子を含む物質が混入するおそれがあるため、基板を上述の温度で加熱することが好ましい。基板を上述の温度で加熱して、酸化物半導体層の成膜を行うことにより、基板温度は高温となるため、水素結合は熱により切断され、水素原子を含む物質が酸化物半導体層に取り込まれにくい。したがって、基板が上述の温度で加熱された状態で、酸化物半導体層の成膜を行うことにより、酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物などの不純物の濃度を十分に低減することができる。また、スパッタリングによる損傷を軽減することができる。

成膜条件の一例として、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を０．５ｋＷ、基板温度を４００℃、成膜雰囲気を酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気とする。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。

なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、酸化物半導体層の被形成表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタとは、基板に電圧を印加し、基板近傍にプラズマを形成して、基板側の表面を改質する方法である。なお、アルゴンに代えて、窒素、ヘリウム、酸素などのガスを用いてもよい。

酸化物半導体層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体層上に形成した後、当該酸化物半導体層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。

その後、酸化物半導体層１４４に対して、熱処理（第１の熱処理）を行ってもよい。熱処理を行うことによって、酸化物半導体層１４４中に含まれる水素原子を含む物質をさらに除去することができる。熱処理の温度は、不活性ガス雰囲気下、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、または基板の歪み点未満とする。不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。

熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体層１４４は大気に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。

ところで、上述の熱処理には水素や水などを除去する効果があるため、当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。当該熱処理は、例えば、酸化物半導体層を島状に加工する前、ゲート絶縁層の形成後などのタイミングにおいて行うことも可能である。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行ってもよい。

次に、酸化物半導体層１４４などの上に、ソース電極およびドレイン電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工して、ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを形成する（図９（Ｂ）参照）。

導電層は、ＰＶＤ法や、ＣＶＤ法を用いて形成することができる。また、導電層の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。

導電層は、単層構造であっても良いし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜が積層された２層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された２層構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。なお、導電層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有するソース電極１４２ａおよびドレイン電極１４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。

また、導電層は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２、ＩＴＯと略記する場合がある）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。

導電層のエッチングは、形成されるソース電極１４２ａおよびドレイン電極１４２ｂの端部が、テーパー形状となるように行うことが好ましい。ここで、テーパー角は、例えば、３０°以上６０°以下であることが好ましい。ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂの端部をテーパー形状となるようにエッチングすることにより、後に形成されるゲート絶縁層１４６の被覆性を向上し、段切れを防止することができる。

上部のトランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極１４２ａ、およびドレイン電極１４２ｂの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満のトランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと波長の短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いるのが望ましい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長（Ｌ）を、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ（１μｍ）以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高めることが可能である。また、微細化によって、半導体装置の消費電力を低減することも可能である。

また、図９（Ｂ）とは別の一例として、酸化物半導体層１４４とソース電極およびドレイン電極との間に、ソース領域およびドレイン領域として酸化物導電層を設けることができる。酸化物導電層の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電層して、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを適用することができる。

例えば、酸化物半導体層１４４上に酸化物導電膜を形成し、その上に導電層を形成し、酸化物導電膜および導電層を同じフォトリソグラフィ工程によって加工して、ソース領域およびドレイン領域となる酸化物導電層、ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを形成することができる。

また、酸化物半導体膜と酸化物導電膜の積層を形成し、酸化物半導体膜と酸化物導電膜との積層を同じフォトリソグラフィ工程によって形状を加工して島状の酸化物半導体層１４４と酸化物導電膜を形成してもよい。ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを形成した後、ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂをマスクとして、さらに島状の酸化物導電膜をエッチングし、ソース領域およびドレイン領域となる酸化物導電層を形成することもできる。

なお、酸化物導電層の形状を加工するためのエッチング処理の際、酸化物半導体層が過剰にエッチングされないように、エッチング条件（エッチング剤の種類、濃度、エッチング時間等）を適宜調整する。

酸化物導電層を酸化物半導体層とソース電極及びドレイン電極との間に設けることで、ソース領域及びドレイン領域の低抵抗化を図ることができ、トランジスタの高速動作をすることができる。また、酸化物半導体層１４４、酸化物導電層、金属材料からなるドレイン電極の構成とすることによって、よりトランジスタの耐圧を向上させることができる。

ソース領域及びドレイン領域として酸化物導電層を用いることは、周辺回路（駆動回路）の周波数特性を向上させるために有効である。金属電極（モリブデン、タングステン等）と酸化物半導体層との接触に比べ、金属電極（モリブデン、タングステン等）と酸化物導電層との接触は、接触抵抗を下げることができるからである。酸化物半導体層とソース電極及びドレイン電極との間に酸化物導電層を介在させることで接触抵抗を低減でき、周辺回路（駆動回路）の周波数特性を向上させることができる。

次に、ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを覆い、かつ、酸化物半導体層１４４の一部と接するように、ゲート絶縁層１４６を形成する（図９（Ｃ）参照）。

ゲート絶縁層１４６は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層１４６は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、などを含むように形成するのが好適である。ゲート絶縁層１４６は、単層構造としても良いし、上記の材料を組み合わせて積層構造としても良い。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化する場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。

上述のように、ゲート絶縁層を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリークが問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁層１４６に、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、などの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁層１４６に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムなどのいずれかを含む膜との積層構造としてもよい。

また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層（本実施の形態においては、ゲート絶縁層１４６）は、第１３族元素および酸素を含む絶縁材料としてもよい。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁層に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。

第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一または複数の第１３族元素を含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。

例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接してゲート絶縁層を形成する場合に、ゲート絶縁層に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層とゲート絶縁層の界面特性を良好に保つことができる。また、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁層とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁層の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁層に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁層を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。

また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。

例えば、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ_２Ｏ_ｘ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ_２Ｏ_Ｘ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。または、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）の組成をＧａ_ＸＡｌ_２−ＸＯ_３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。

酸素ドープ処理等を行うことにより、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁層を形成することができる。このような領域を備える絶縁層と酸化物半導体層が接することにより、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、または酸化物半導体層と絶縁層の界面における酸素不足欠陥を低減することができる。

なお、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁層は、ゲート絶縁層１４６に代えて、酸化物半導体層１４４の下地膜として形成する絶縁層に適用しても良く、ゲート絶縁層１４６および下地膜の双方に適用しても良い。

ゲート絶縁層１４６の形成後には、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で第２の熱処理を行うのが望ましい。熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第２の熱処理を行うことによって、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。また、ゲート絶縁層１４６が酸素を含む場合、脱水化または脱水素化処理後の酸化物半導体層１４４に酸素を供給し、該酸化物半導体層１４４の酸素欠損を補填して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成することもできる。

なお、本実施の形態では、ゲート絶縁層１４６の形成後に第２の熱処理を行っているが、第２の熱処理のタイミングはこれに限定されない。例えば、ゲート電極の形成後に第２の熱処理を行っても良い。また、第１の熱処理に続けて第２の熱処理を行っても良いし、第１の熱処理に第２の熱処理を兼ねさせても良いし、第２の熱処理に第１の熱処理を兼ねさせても良い。

次に、ゲート電極（これと同じ層で形成される配線を含む）を形成するための導電層を形成し、当該導電層を加工して、ゲート電極１４８ａおよび導電層１４８ｂを形成する（図９（Ｄ）参照）。

ゲート電極１４８ａおよび導電層１４８ｂ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、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。なお、ゲート電極１４８ａおよび導電層１４８ｂは、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。

次に、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、および導電層１４８ｂ上に、絶縁層１５０を形成する（図１０（Ａ）参照）。絶縁層１５０は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、絶縁層１５０には、誘電率の低い材料や、誘電率の低い構造（多孔性の構造など）を用いることが望ましい。絶縁層１５０の誘電率を低くすることにより、配線や電極などの間に生じる容量を低減し、動作の高速化を図ることができるためである。なお、本実施の形態では、絶縁層１５０の単層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されず、２層以上の積層構造としても良い。

次に、ゲート絶縁層１４６、絶縁層１５０に、ソース電極１４２ａにまで達する開口を形成する。その後、絶縁層１５０上にソース電極１４２ａと接する配線１５４を形成する（図１０（Ｂ）参照）。なお、当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。

配線１５４は、ＰＶＤ法や、ＣＶＤ法を用いて導電層を形成した後、当該導電層をパターニングすることによって形成される。また、導電層の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。

より具体的には、例えば、絶縁層１５０の開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く（５ｎｍ程度）形成し、ＰＶＤ法によりチタン膜を形成した後に、開口に埋め込むようにアルミニウム膜を形成する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、被形成面の酸化膜（自然酸化膜など）を還元し、下部電極など（ここではソース電極１４２ａ）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、アルミニウム膜のヒロックを防止することができる。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。

絶縁層１５０に形成する開口は、導電層１２８ｂと重畳する領域に形成することが望ましい。このような領域に開口を形成することで、コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制することができる。

ここで、導電層１２８ｂを用いずに、不純物領域１２６とソース電極１４２ａとの接続と、ソース電極１４２ａと配線１５４との接続とを重畳させる場合について説明する。この場合、不純物領域１２６上に形成された絶縁層１３６、絶縁層１３８および絶縁層１４０に開口（下部のコンタクトと呼ぶ）を形成し、下部のコンタクトにソース電極１４２ａを形成した後、ゲート絶縁層１４６および絶縁層１５０において、下部のコンタクトと重畳する領域に開口（上部のコンタクトと呼ぶ）を形成し、配線１５４を形成することになる。下部のコンタクトと重畳する領域に上部のコンタクトを形成する際に、エッチングにより下部のコンタクトに形成されたソース電極１４２ａが断線してしまうおそれがある。これを避けるために、下部のコンタクトと上部のコンタクトが重畳しないように形成することにより、素子面積が増大するという問題がおこる。

本実施の形態に示すように、導電層１２８ｂを用いることにより、ソース電極１４２ａを断線させることなく、上部のコンタクトの形成が可能となる。これにより、下部のコンタクトと上部のコンタクトを重畳させて設けることができるため、コンタクト領域に起因する素子面積の増大を抑制することができる。つまり、半導体装置の集積度を高めることができる。

次に、配線１５４を覆うように絶縁層１５６を形成する（図１０（Ｃ）参照）。

以上により、高純度化された酸化物半導体層１４４を用いたトランジスタ１６２、および容量素子１６４が完成する（図１０（Ｃ）参照）。

本実施の形態において示すトランジスタ１６２では、酸化物半導体層１４４が高純度化されているため、その水素濃度は、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、望ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より望ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。また、酸化物半導体層１４４のキャリア密度は、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア密度（１×１０^１４／ｃｍ^３程度）と比較して、十分に小さい値（例えば、１×１０^１２／ｃｍ^３未満、より好ましくは、１．４５×１０^１０／ｃｍ^３未満）をとる。そして、オフ電流も十分に小さくなる。例えば、トランジスタ１６２の室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０^−２１Ａ）以下、望ましくは１０ｚＡ以下となる。

このように高純度化され、真性化された酸化物半導体層１４４を用いることで、トランジスタのオフ電流を十分に低減することが容易になる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。

また、本実施の形態において示す半導体装置では、配線を共通化することも可能であり、集積度が十分に高められた半導体装置を実現することができる。

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。

（実施の形態３）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合について、図１１を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯情報端末（携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどのカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）などの電子機器に、上述の半導体装置を適用する場合について説明する。

図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、筐体７０１、筐体７０２、表示部７０３、キーボード７０４などによって構成されている。筐体７０１と筐体７０２の少なくとも一には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたノート型のパーソナルコンピュータが実現される。

図１１（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体７１１には、表示部７１３と、外部インターフェイス７１５と、操作ボタン７１４等が設けられている。また、携帯情報端末を操作するスタイラス７１２などを備えている。本体７１１内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された携帯情報端末が実現される。

図１１（Ｃ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍７２０であり、筐体７２１と筐体７２３の２つの筐体で構成されている。筐体７２１および筐体７２３には、それぞれ表示部７２５および表示部７２７が設けられている。筐体７２１と筐体７２３は、軸部７３７により接続されており、該軸部７３７を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体７２１は、電源７３１、操作キー７３３、スピーカー７３５などを備えている。筐体７２１、筐体７２３の少なくとも一には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された電子書籍が実現される。

図１１（Ｄ）は、携帯電話機であり、筐体７４０と筐体７４１の２つの筐体で構成されている。さらに、筐体７４０と筐体７４１は、スライドし、図１１（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。また、筐体７４１は、表示パネル７４２、スピーカー７４３、マイクロフォン７４４、操作キー７４５、ポインティングデバイス７４６、カメラ用レンズ７４７、外部接続端子７４８などを備えている。また、筐体７４０は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル７４９、外部メモリスロット７５０などを備えている。また、アンテナは、筐体７４１に内蔵されている。筐体７４０と筐体７４１の少なくとも一には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された携帯電話機が実現される。

図１１（Ｅ）は、デジタルカメラであり、本体７６１、表示部７６７、接眼部７６３、操作スイッチ７６４、表示部７６５、バッテリー７６６などによって構成されている。本体７６１内には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたデジタルカメラが実現される。

図１１（Ｆ）は、テレビジョン装置７７０であり、筐体７７１、表示部７７３、スタンド７７５などで構成されている。テレビジョン装置７７０の操作は、筐体７７１が備えるスイッチや、リモコン操作機７８０により行うことができる。筐体７７１およびリモコン操作機７８０には、先の実施の形態に示す半導体装置が搭載されている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたテレビジョン装置が実現される。

以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、消費電力を低減した電子機器が実現される。

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態１乃至３で述べた半導体材料として酸化物半導体を用いたトランジスタについて、詳しく説明する。具体的には、酸化物半導体として、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌともいう。）を含む酸化物について説明する。

ＣＡＡＣを含む酸化物とは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む酸化物をいう。

ＣＡＡＣは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。

ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。

ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であったりする。

このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面または支持する基板面に垂直な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められる結晶を挙げることもできる。

ＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例について図１２乃至図１４を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図１２乃至図１４は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。

図１２（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図１２（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図１２（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図１２（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図１２（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図１２（Ｂ）に示す構造をとりうる。図１２（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１２（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。または、図１２（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図１２（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１２（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図１２（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。

図１２（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図１２（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図１２（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。

ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。

ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図１２（Ａ）に示す６配位のＩｎの上半分の３個のＯは、下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。図１２（Ｂ）に示す５配位のＧａの上半分の１個のＯは、下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは、上方向に１個の近接Ｇａを有する。図１２（Ｃ）に示す４配位のＺｎの上半分の１個のＯは、下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。このように、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。したがって金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）、または４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。

これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。

図１３（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図１３（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。

図１３（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図１３（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図１３（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。

図１３（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。

ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図１２（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。

具体的には、図１３（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_３Ｏ_８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_２Ｏ_７（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。

また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物などを用いた場合も同様である。

例えば、図１４（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。

図１４（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。

図１４（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１４（Ｃ）は、図１４（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。

ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。

また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図１４（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態１乃至４で述べた酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの移動度について言及する。

酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。

半導体本来の移動度をμ_０、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界等）が存在すると仮定すると、数２のように表現できる。

ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋがボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、数３のように表現される。

ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル形成領域内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎは単位面積当たりのチャネル形成領域に含まれるキャリア数、Ｃ_ｏｘは単位面積当たりの容量、Ｖ_ｇはゲート電圧、ｔはチャネル形成領域の厚さである。なお、厚さ３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネル形成領域の厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。線形領域におけるドレイン電流Ｉ_ｄは、数４のように表現される。

ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、Ｌ＝Ｗ＝１０μｍである。また、Ｖ_ｄはドレイン電圧である。上式の両辺をＶ_ｇで割り、更に両辺の対数を取ると、数５のようになる。

数５の右辺はＶ_ｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉ_ｄ／Ｖ_ｇ）、横軸を１／Ｖ_ｇとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。すなわち、トランジスタのＩ_ｄ―Ｖ_ｇ特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）の比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のものでは欠陥密度Ｎは１×１０^１２／ｃｍ^２程度である。

このようにして求めた欠陥密度等をもとに数２および数３よりμ_０＝１２０ｃｍ^２／Ｖｓが導出される。欠陥のあるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物で測定される移動度は４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。しかし、半導体内部および半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導体の移動度μ_０は１２０ｃｍ^２／Ｖｓとなると予想できる。

ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネル形成領域とゲート絶縁層との界面での散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁層界面からｘだけ離れた場所における移動度μ_１は、数６のように表現される。

で表される。ここで、Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、ｌは定数である。Ｂおよびｌは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、Ｂ＝４．７５×１０^７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎｍ（界面散乱が及ぶ深さ）である。Ｄが増加する（すなわち、ゲート電圧が高くなる）と数６の第２項が増加するため、移動度μ_１は低下することがわかる。

半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの移動度μ_２を計算した結果を図１５に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、２．８電子ボルト、４．７電子ボルト、１５、１５ｎｍとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定して得られたものである。

さらに、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極の仕事関数をそれぞれ、５．５電子ボルト、４．６電子ボルト、４．６電子ボルトとした。また、ゲート絶縁層の厚さは１００ｎｍ、比誘電率は４．１とした。チャネル長およびチャネル幅はともに１０μｍ、ドレイン電圧Ｖ_ｄは０．１Ｖである。

図１５で示されるように、ゲート電圧１Ｖ強で移動度１００ｃｍ^２／Ｖｓ以上のピークをつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｆｌａｔｎｅｓｓ）が望ましい。

このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特性を計算した結果を図１６乃至図１８に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構造を図１９に示す。図１９に示すトランジスタは酸化物半導体層にｎ^＋の導電型を呈する半導体領域１０３ａおよび半導体領域１０３ｃを有する。半導体領域１０３ａおよび半導体領域１０３ｃの抵抗率は２×１０^−３Ωｃｍとする。

図１９（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁膜１０１と、下地絶縁膜１０１に埋め込まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１０２の上に形成される。トランジスタは半導体領域１０３ａ、半導体領域１０３ｃと、それらに挟まれ、チャネル形成領域となる真性の半導体領域１０３ｂと、ゲート電極１０５を有する。ゲート電極１０５の幅を３３ｎｍとする。

ゲート電極１０５と半導体領域１０３ｂの間には、ゲート絶縁層１０４を有し、また、ゲート電極１０５の両側面には側壁絶縁物１０６ａおよび側壁絶縁物１０６ｂ、ゲート電極１０５の上部には、ゲート電極１０５と他の配線との短絡を防止するための絶縁物１０７を有する。側壁絶縁物の幅は５ｎｍとする。また、半導体領域１０３ａおよび半導体領域１０３ｃに接して、ソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂを有する。なお、このトランジスタにおけるチャネル幅を４０ｎｍとする。

図１９（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁膜１０１と、酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１０２の上に形成され、半導体領域１０３ａ、半導体領域１０３ｃと、それらに挟まれた真性の半導体領域１０３ｂと、幅３３ｎｍのゲート電極１０５とゲート絶縁層１０４と側壁絶縁物１０６ａおよび側壁絶縁物１０６ｂと絶縁物１０７とソース電極１０８ａおよびドレイン電極１０８ｂを有する点で図１９（Ａ）に示すトランジスタと同じである。

図１９（Ａ）に示すトランジスタと図１９（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、側壁絶縁物１０６ａおよび側壁絶縁物１０６ｂの下の半導体領域の導電型である。図１９（Ａ）に示すトランジスタでは、側壁絶縁物１０６ａおよび側壁絶縁物１０６ｂの下の半導体領域はｎ^＋の導電型を呈する半導体領域１０３ａおよび半導体領域１０３ｃであるが、図１９（Ｂ）に示すトランジスタでは、真性の半導体領域１０３ｂである。すなわち、図１９（Ｂ）に示す半導体層において、半導体領域１０３ａ（半導体領域１０３ｃ）とゲート電極１０５がＬｏｆｆだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その幅Ｌｏｆｆをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側壁絶縁物１０６ａ（側壁絶縁物１０６ｂ）の幅と同じである。

その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図１６は、図１９（Ａ）に示される構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉ_ｄ、実線）および移動度（μ、点線）のゲート電圧（Ｖ_ｇ、ゲート電極とソースの電位差）依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。

図１６（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１６（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１６（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。ゲート絶縁層が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイン電流Ｉ_ｄ（オフ電流）が顕著に低下する。一方、移動度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Ｉ_ｄ（オン電流）には目立った変化が無い。ゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリセルで用いられるトランジスタ等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。

図１７は、図１９（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉ_ｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖ_ｇ依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図１７（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１７（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１７（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。

また、図１８は、図１９（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉ_ｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図１８（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１８（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１８（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。

いずれもゲート絶縁層が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、移動度μのピーク値やオン電流には目立った変化が無い。

なお、移動度μのピークは、図１６では８０ｃｍ^２／Ｖｓ程度であるが、図１７では６０ｃｍ^２／Ｖｓ程度、図１８では４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度と、オフセット長Ｌｏｆｆが増加するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流もオフセット長Ｌｏｆｆの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれもゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリセルで用いられるトランジスタ等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。

（実施の形態６）
上記実施の形態１乃至５で示した、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタは、該酸化物半導体を形成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半導体膜を形成した後に熱処理を行うことで良好な特性を得ることができる。なお、主成分とは組成比で５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれる元素をいう。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜の成膜後に基板を意図的に加熱することで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリ・オフ化させることが可能となる。

例えば、図２０（Ａ）〜（Ｃ）は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とし、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍである酸化物半導体膜と、厚さ１００ｎｍのゲート絶縁層を用いたトランジスタの特性である。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。

図２０（Ａ）は基板を意図的に加熱せずにスパッタリング法でＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性である。このとき電界効果移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。一方、基板を意図的に加熱してＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成すると電界効果移動度を向上させることが可能となる。図２０（Ｂ）は基板を２００℃に加熱してＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性を示すが、電界効果移動度は３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。

電界効果移動度は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成した後に熱処理をすることによって、さらに高めることができる。図２０（Ｃ）は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を２００℃でスパッタリング成膜した後、６５０℃で熱処理をしたときのトランジスタ特性を示す。このとき電界効果移動度は３４．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。

基板を意図的に加熱することでスパッタリング成膜中の水分が酸化物半導体膜中に取り込まれるのを低減する効果が期待できる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、酸化物半導体膜から水素や水酸基若しくは水分を放出させ除去することができ、上記のように電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱水化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるためとも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することで結晶化を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定される。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体に酸素イオンを注入し、熱処理により該酸化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水分を放出させ、その熱処理と同時に又はその後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させても良い。このような結晶化若しくは再結晶化の処理により結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。

基板を意図的に加熱して成膜すること及び／又は成膜後に熱処理することの効果は、電界効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリ・オフ化を図ることにも寄与している。基板を意図的に加熱しないで形成されたＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜をチャネル形成領域としたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスシフトしてしまう傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体膜を用いた場合、このしきい値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、しきい値電圧はトランジスタがノーマリ・オフとなる方向に動き、このような傾向は図２０（Ａ）と図２０（Ｂ）の対比からも確認することができる。

なお、しきい値電圧はＩｎ、Ｓｎ及びＺｎの比率を変えることによっても制御することが可能であり、組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることでトランジスタのノーマリ・オフ化を期待することができる。また、ターゲットの組成比をＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることで結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。

意図的な基板加熱温度若しくは熱処理温度は、１５０℃以上、好ましくは２００℃以上、より好ましくは４００℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することでトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることが可能となる。

また、意図的に基板を加熱した成膜及び／又は成膜後に熱処理をすることで、ゲートバイアス・ストレスに対する安定性を高めることができる。例えば、２ＭＶ／ｃｍ、１５０℃、１時間印加の条件において、ドリフトがそれぞれ±１．５Ｖ未満、好ましくは±１．０Ｖ未満を得ることができる。

実際に、酸化物半導体膜成膜後に加熱処理を行っていない試料１のトランジスタと、６５０℃の加熱処理を行った試料２のトランジスタに対してＢＴ試験を行った。

まず基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性の測定を行った。なお、Ｖ_ｄはドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を示す。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶ_ｇに２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に、Ｖ_ｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行った。これをプラスＢＴ試験と呼ぶ。

同様に、まず基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性の測定を行った。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層に印加される電界強度が−２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶ_ｇに−２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に、Ｖ_ｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行った。これをマイナスＢＴ試験と呼ぶ。

試料１のプラスＢＴ試験の結果を図２１（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図２１（Ｂ）に示す。また、試料２のプラスＢＴ試験の結果を図２２（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図２２（Ｂ）に示す。

試料１のプラスＢＴ試験およびマイナスＢＴ試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ１．８０Ｖおよび−０．４２Ｖであった。また、試料２のプラスＢＴ試験およびマイナスＢＴ試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ０．７９Ｖおよび０．７６Ｖであった。
試料１および試料２のいずれも、ＢＴ試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、信頼性が高いことがわかる。

熱処理は酸素雰囲気中で行うことができるが、まず窒素若しくは不活性ガス、または減圧下で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行っても良い。最初に脱水化・脱水素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることで、熱処理の効果をより高めることができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体膜に注入する方法を適用しても良い。

酸化物半導体中及び該酸化物半導体と接する膜との界面には、酸素欠損による欠陥が生成されやすいが、かかる熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより、定常的に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸素は主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以上２×１０^２０／ｃｍ^３以下とすれば、結晶に歪み等を与えることなく酸化物半導体中に含ませることができる。

また、熱処理によって酸化物半導体に結晶が少なくとも一部に含まれるようにすることで、より安定な酸化物半導体膜を得ることができる。例えば、組成比Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸化物半導体膜は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）でハローパタンが観測される。この成膜された酸化物半導体膜を熱処理することによって結晶化させることができる。熱処理温度は任意であるが、例えば６５０℃の熱処理を行うことで、Ｘ線回折により明確な回折ピークを観測することができる。

実際に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸＲＤ分析を行った。ＸＲＤ分析には、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ法で測定した。

ＸＲＤ分析を行った試料として、試料Ａおよび試料Ｂを用意した。以下に試料Ａおよび試料Ｂの作製方法を説明する。

脱水素化処理済みの石英基板上にＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を１００ｎｍの厚さで成膜した。

Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を１００Ｗ（ＤＣ）として成膜した。ターゲットは、原子数比でＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は２００℃とした。このようにして作製した試料を試料Ａとした。

次に、試料Ａと同様の方法で作製した試料に対し加熱処理を６５０℃の温度で行った。加熱処理は、はじめに窒素雰囲気で１時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気でさらに１時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Ｂとした。

図２５に試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す。試料Ａでは、結晶由来のピークが観測されなかったが、試料Ｂでは、２θが３５ｄｅｇ近傍および３７ｄｅｇ〜３８ｄｅｇに結晶由来のピークが観測された。

このように、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は成膜時に意図的に加熱すること及び／又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させることができる。

この基板加熱や熱処理は、酸化物半導体にとって悪性の不純物である水素や水酸基を膜中に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物半導体中でドナー不純物となる水素を除去することで高純度化を図ることができ、それによってトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化されることによりオフ電流を１ａＡ／μｍ以下にすることができる。ここで、上記オフ電流値の単位は、チャネル幅１μｍあたりの電流値を示す。

図２６に、トランジスタのオフ電流と測定時の基板温度（絶対温度）の逆数との関係を示す。ここでは、簡単のため測定時の基板温度の逆数に１０００を掛けた数値（１０００／Ｔ）を横軸としている。

具体的には、図２６に示すように、基板温度が１２５℃（３９８．１５Ｋ）の場合には、１ａＡ／μｍ（１×１０^−１８Ａ／μｍ）以下、基板温度が８５℃（３５８．１５Ｋ）の場合には、１００ｚＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下、基板温度が室温（２７℃、３００．１５Ｋ）の場合には、１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２１Ａ／μｍ）以下にすることができる。好ましくは、基板温度が１２５℃において０．１ａＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下に、８５℃において１０ｚＡ／μｍ（１×１０^−２０Ａ／μｍ）以下に、室温において０．１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２２Ａ／μｍ）以下にすることができる。

もっとも、酸化物半導体膜の成膜時に水素や水分が膜中に混入しないように、成膜室外部からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図ることが好ましい。例えば、スパッタガスは水分が膜中に含まれないように露点−７０℃以下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水分などの不純物が含まれていていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい。Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は熱処理によって膜中の水分を除去することができるが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体と比べて水分の放出温度が高いため、好ましくは最初から水分の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。

また、酸化物半導体膜成膜後に６５０℃の加熱処理を行った試料Ｂを用いたトランジスタにおいて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。

測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、Ｌｏｖが０μｍ、ｄＷが０μｍである。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。なお、基板温度は−４０℃、−２５℃、２５℃、７５℃、１２５℃および１５０℃で行った。ここで、トランジスタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をＬｏｖと呼び、酸化物半導体膜に対する一対の電極のはみ出しをｄＷと呼ぶ。

図２３に、Ｉ_ｄ（実線）および電界効果移動度（点線）のＶ_ｇ依存性を示す。また、図２４（Ａ）に基板温度としきい値電圧の関係を、図２４（Ｂ）に基板温度と電界効果移動度の関係を示す。

図２４（Ａ）より、基板温度が高いほどしきい値電圧は低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で１．０９Ｖ〜−０．２３Ｖであった。

また、図２４（Ｂ）より、基板温度が高いほど電界効果移動度が低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で３６ｃｍ^２／Ｖｓ〜３２ｃｍ^２／Ｖｓであった。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。

上記のようなＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタによれば、オフ電流を１ａＡ／μｍ以下に保ちつつ、電界効果移動度を３０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、好ましくは４０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、より好ましくは６０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とし、ＬＳＩで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば、Ｌ／Ｗ＝３３ｎｍ／４０ｎｍのＦＥＴで、ゲート電圧２．７Ｖ、ドレイン電圧１．０Ｖのとき１２μＡ以上のオン電流を流すことができる。またトランジスタの動作に求められる温度範囲においても、十分な電気的特性を確保することができる。このような特性であれば、Ｓｉ半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混載しても、動作速度を犠牲にすることなく新たな機能を有する集積回路を実現することができる。

本実施例では、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を酸化物半導体膜に用いたトランジスタの一例について、図２７などを用いて説明する。

図２７は、コプラナー型であるトップゲート・トップコンタクト構造のトランジスタの上面図および断面図である。図２７（Ａ）にトランジスタの上面図を示す。また、図２７（Ｂ）に図２７（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面Ａ１−Ａ２を示す。

図２７（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１１００と、基板１１００上に設けられた下地絶縁膜１１０２と、下地絶縁膜１１０２の周辺に設けられた保護絶縁膜１１０４と、下地絶縁膜１１０２および保護絶縁膜１１０４上に設けられた高抵抗領域１１０６ａおよび低抵抗領域１１０６ｂを有する酸化物半導体膜１１０６と、酸化物半導体膜１１０６上に設けられたゲート絶縁層１１０８と、ゲート絶縁層１１０８を介して酸化物半導体膜１１０６と重畳して設けられたゲート電極１１１０と、ゲート電極１１１０の側面と接して設けられた側壁絶縁膜１１１２と、少なくとも低抵抗領域１１０６ｂと接して設けられた一対の電極１１１４と、少なくとも酸化物半導体膜１１０６、ゲート電極１１１０および一対の電極１１１４を覆って設けられた層間絶縁膜１１１６と、層間絶縁膜１１１６に設けられた開口部を介して少なくとも一対の電極１１１４の一方と接続して設けられた配線１１１８と、を有する。

なお、図示しないが、層間絶縁膜１１１６および配線１１１８を覆って設けられた保護膜を有していても構わない。該保護膜を設けることで、層間絶縁膜１１１６の表面伝導に起因して生じる微小リーク電流を低減することができ、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

本実施例では、上記とは異なるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を酸化物半導体膜に用いたトランジスタの他の一例について示す。

図２８は、本実施例で作製したトランジスタの構造を示す上面図および断面図である。図２８（Ａ）はトランジスタの上面図である。また、図２８（Ｂ）は図２８（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図である。

図２８（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００と、基板６００上に設けられた下地絶縁膜６０２と、下地絶縁膜６０２上に設けられた酸化物半導体膜６０６と、酸化物半導体膜６０６と接する一対の電極６１４と、酸化物半導体膜６０６および一対の電極６１４上に設けられたゲート絶縁層６０８と、ゲート絶縁層６０８を介して酸化物半導体膜６０６と重畳して設けられたゲート電極６１０と、ゲート絶縁層６０８およびゲート電極６１０を覆って設けられた層間絶縁膜６１６と、層間絶縁膜６１６に設けられた開口部を介して一対の電極６１４と接続する配線６１８と、層間絶縁膜６１６および配線６１８を覆って設けられた保護膜６２０と、を有する。

基板６００としてはガラス基板を、下地絶縁膜６０２としては酸化シリコン膜を、酸化物半導体膜６０６としてはＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を、一対の電極６１４としてはタングステン膜を、ゲート絶縁層６０８としては酸化シリコン膜を、ゲート電極６１０としては窒化タンタル膜とタングステン膜との積層構造を、層間絶縁膜６１６としては酸化窒化シリコン膜とポリイミド膜との積層構造を、配線６１８としてはチタン膜、アルミニウム膜、チタン膜がこの順で形成された積層構造を、保護膜６２０としてはポリイミド膜を、それぞれ用いた。

なお、図２８（Ａ）に示す構造のトランジスタにおいて、ゲート電極６１０と一対の電極６１４との重畳する幅をＬｏｖと呼ぶ。同様に、酸化物半導体膜６０６に対する一対の電極６１４のはみ出しをｄＷと呼ぶ。

１６０ トランジスタ
１６２ トランジスタ
１６４ 容量素子
１７０ メモリセル
１９０ 第１の駆動回路
１９２ 第２の駆動回路
１９４ ソース線切り替え回路

Claims (7)

1. 書き込みワード線と、書き込みおよび読み出しワード線と、ビット線と、ソース線と、電位切り替え回路と、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、を有し、
   前記メモリセルの一は、
   第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、および第１のチャネル形成領域を含むｎチャネル型の第１のトランジスタと、
   第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、および第２のチャネル形成領域を含む第２のトランジスタと、
   容量素子と、を有し、
   前記第１のチャネル形成領域と、前記第２のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、
   前記第１のゲート電極と、前記第２のドレイン電極と、前記容量素子の一方の電極と、は、電気的に接続されて電荷が保持されるノードを構成し、
   前記ビット線と、前記第１のドレイン電極と、前記第２のソース電極と、は電気的に接続され、
   前記電位切り替え回路の端子の一と、前記ソース線と、前記第１のソース電極と、は電気的に接続され、
   前記書き込みおよび読み出しワード線と、前記容量素子の他方の電極とは、電気的に接続され、
   前記書き込みワード線と、前記第２のゲート電極と、は電気的に接続され、
   前記電位切り替え回路は、書き込み期間において、前記ソース線に電源電位を選択的に与える機能を備えた半導体装置。
2. 書き込みワード線と、書き込みおよび読み出しワード線と、ビット線と、ソース線と、電位切り替え回路と、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、を有し、
   前記メモリセルの一は、
   第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、および第１のチャネル形成領域を含むｎチャネル型の第１のトランジスタと、
   第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、および第２のチャネル形成領域を含む第２のトランジスタと、
   容量素子と、を有し、
   前記第１のチャネル形成領域と、前記第２のチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成され、
   前記第１のゲート電極と、前記第２のドレイン電極と、前記容量素子の一方の電極と、は、電気的に接続されて電荷が保持されるノードを構成し、
   前記ビット線と、前記第１のドレイン電極と、前記第２のソース電極と、は電気的に接続され、
   前記電位切り替え回路の端子の一と、前記ソース線と、前記第１のソース電極と、は電気的に接続され、
   前記書き込みおよび読み出しワード線と、前記容量素子の他方の電極とは、電気的に接続され、
   前記書き込みワード線と、前記第２のゲート電極と、は電気的に接続され、
   前記ソース線は、複数列の前記メモリセルと電気的に接続され、
   前記電位切り替え回路は、書き込み期間において、前記ソース線に電源電位を選択的に与える機能を備えた半導体装置。
3. 前記第２のトランジスタの前記第２のチャネル形成領域は、酸化物半導体を含んで構成される請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 第１のトランジスタのゲート電極と、第２のトランジスタのドレイン電極と、容量素子の電極の一方と、が電気的に接続されて構成されるノードに電荷を保持させる半導体装置の駆動方法であって、
   前記ノードに前記第１のトランジスタがオン状態となる電位を与える際に、前記第１のトランジスタのソース電極に電源電位を供給する半導体装置の駆動方法。
5. 前記第１のトランジスタのチャネル形成領域は、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域とは、異なる半導体材料を含んで構成される請求項４に記載の半導体装置の駆動方法。
6. 前記第２のトランジスタのチャネル形成領域は、酸化物半導体を含んで構成される請求項４または５に記載の半導体装置の駆動方法。
7. 前記第１のトランジスタのソース電極に電源電位を供給する動作は、
   前記第１のトランジスタのソース電極に接続されたソース線の電位を電位切り替え回路によって制御することにより行われる、請求項４乃至６のいずれか一に記載の半導体装置の駆動方法。