JP2015165447A - 半導体装置 - Google Patents

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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。
【解決手段】ワイドギャップ半導体、例えば酸化物半導体を含むメモリセルを用いて構成
された半導体装置であって、メモリセルからの読み出しのために基準電位より低い電位を
出力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。ワイドギャップ半導
体を用いることで、メモリセル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、長期間にわたって情報を保持することが可能な半導体装置を提供することがで
きる。
【選択図】図２

Description

本発明は、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 Ａｃ
ｃｅｓｓ 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。この問題の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、本発明の一態様では、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。
本発明の一態様では、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。
また、本発明の一態様では、例えば、ワイドギャップ半導体を用いて構成されたメモリセ
ルを含む半導体装置であって、メモリセルからの読み出しのために基準電位より低い電位
を出力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。
より具体的には、例えば次のような構成を採用することができる。
本発明の一態様は、ｍ×ｎ個のメモリセルでなるメモリセルアレイと、読み出し回路を有
する第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、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、及び第１のチャネル形成領域を含む第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、及び第２
のチャネル形成領域を含む第２のトランジスタと、を有し、第１のチャネル形成領域は、
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、読み出し回路は、負荷
と、クロックドインバータと、第３のゲート電極、第３のソース電極、第３のドレイン電
極、及び第３のチャネル形成領域を含む第３のトランジスタと、を有し、クロックドイン
バータの出力端子は、第３のトランジスタの第３のソース電極または第３のドレイン電極
と接続される、半導体装置である。
上記において、第１のソース電極は、ソース線と接続され、クロックドインバータの入力
端子は、ビット線を介して、第１のドレイン電極と、第２のドレイン電極と接続され、第
２のゲート電極は、ゲート線を介して、第１のゲート電極と、第２のソース電極と接続さ
れる半導体装置である。
また、本発明の一態様は、ｍ×ｎ個のメモリセルでなるメモリセルアレイと、読み出し回
路を有する第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、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、及び第１のチャネル形成領域を含む
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、及
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
ャネル形成領域は、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、読
み出し回路は、負荷と、クロックドインバータと、第３のゲート電極、第３のソース電極
、第３のドレイン電極、及び第３のチャネル形成領域を含む第３のトランジスタと、を有
し、クロックドインバータの出力端子は、第３のトランジスタの第３のソース電極または
第３のドレイン電極と接続される、半導体装置である。
第１のソース電極は、ソース線と接続され、クロックドインバータの入力端子は、ビット
線を介して、第１のドレイン電極と、第２のドレイン電極と接続され、第２のゲート電極
は、ゲート線と接続され、容量素子の電極の一方は、容量線と接続され、容量素子の電極
の他方は、第１のゲート電極と、第２のソース電極と接続される半導体装置である。
上記において、第１のトランジスタは、ｐチャネル型トランジスタであり、第２のトラン
ジスタは、ｎチャネル型トランジスタである半導体装置である。
上記において、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
構成される半導体装置である。
なお、上記において、酸化物半導体を用いてトランジスタを構成することがあるが、本発
明はこれに限定されない。酸化物半導体と同等のオフ電流特性が実現できる材料、例えば
、炭化シリコンをはじめとするワイドギャップ材料（より具体的には、例えば、エネルギ
ーギャップＥｇが３ｅＶより大きい半導体材料）などを適用しても良い。
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、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。また、「上」「下」の用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎない。
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
、本明細書等においては、「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。
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、本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、本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。
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動
作が可能なトランジスタ）と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分
にオフ電流が小さいトランジスタ）とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有す
る半導体装置を実現することができる。
半導体装置の回路図。 半導体装置のブロック図。 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。 半導体装置の回路図。 タイミングチャート図。 半導体装置の回路図。 タイミングチャート図。 半導体装置の回路図。 タイミングチャート図。 半導体装置の回路図。 タイミングチャート図。 半導体装置のブロック図。 半導体装置の回路図。 半導体装置の回路図。 半導体装置の断面図および平面図。 ＳＯＩ基板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。 電子機器の図。 半導体装置の断面図。 半導体装置の作製工程に係る断面図。 半導体装置の断面図。 酸化物材料の構造を説明する図。 酸化物材料の構造を説明する図。 酸化物材料の構造を説明する図。 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である。 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。 トランジスタの特性を示す図。 トランジスタの特性を示す図。 トランジスタの特性を示す図。 トランジスタの特性を示す図。 トランジスタの特性を示す図。 酸化物材料のＸＲＤスペクトルを示す図。 トランジスタの特性を示す図。 半導体装置の平面図および断面図。 半導体装置の平面図および断面図。
本発明の実施の形態の一例について、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、本発明は、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。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、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。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本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〉
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、ビット線ＢＬとトランジスタ１６０のソース電
極（またはドレイン電極）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、ソース線ＳＬ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、ゲート線ＧＬと、トランジスタ１６
２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、容量線ＣＬと、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接
続されている。なお、トランジスタ１６０のソース電極（またはドレイン電極）と、トラ
ンジスタ１６２のソース電極（またはドレイン電極）と、を電気的に接続させずに、それ
ぞれが別の配線と電気的に接続する構成としてもよい。
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。図１（Ａ−１）、（Ａ
−２）および図１（Ｂ）に、トランジスタ１６０として、ｐチャネル型のトランジスタを
用いる場合について示す。また、図１（Ｃ）に、トランジスタ１６０として、ｎチャネル
型のトランジスタを用いる場合について示す。
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、ゲート線ＧＬ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、ビット線ＢＬの電位が、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のゲート電極と、容量素子１６４の一方の電極が電気的
に接続されたノード（フローティングゲート部ＦＧとも表記する）に与えられる。すなわ
ち、フローティングゲート部ＦＧ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ＱＬ、高電位を与え
る電荷を電荷ＱＨ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、ゲート
線ＧＬ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、フローティングゲート部ＦＧ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。ソース線ＳＬに所定の電位（定電位）を与えた
状態で、容量線ＣＬに適切な電位（読み出し電位）を与えると、フローティングゲート部
ＦＧに保持された電荷量に応じて、ビット線ＢＬは異なる電位をとる。すなわち、トラン
ジスタ１６０のコンダクタンスは、トランジスタ１６０のゲート電極（フローティングゲ
ート部ＦＧともいえる）に保持される電荷によって制御される。
一般に、トランジスタ１６０をｐチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極
にＱＨが与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲ
ート電極にＱＬが与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなる。例え
ば、書き込みにおいてＱＬが与えられた場合には、容量線ＣＬの電位がＶ０（Ｖｔｈ＿Ｈ
とＶｔｈ＿Ｌの中間の電位）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。ＱＨ
が与えられた場合には、容量線ＣＬの電位がＶ０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、ビット線ＢＬの電位を検出することで、保持されてい
る情報を読み出すことができる。
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、ゲート線ＧＬ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、ビット線ＢＬの
電位（新たな情報に係る電位）が、フローティングゲート部ＦＧに与えられる。その後、
ゲート線ＧＬ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、フローティングゲート部ＦＧ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、本発明の一態様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。
以下に、一例として、フローティングゲート部ＦＧに電位ＶＤＤまたは接地電位ＧＮＤの
いずれかを与えた場合の書き込み、保持、読み出しの方法について具体的に説明する。以
下では、フローティングゲート部ＦＧに電位ＶＤＤを与えた場合に保持されるデータをデ
ータ”１”、フローティングゲート部ＦＧに接地電位ＧＮＤを与えた場合に保持されるデ
ータをデータ”０”とする。なお、フローティングゲート部ＦＧに与える電位の関係はこ
れに限られるものではない。
情報を書き込む場合には、ソース線ＳＬをＧＮＤとし、容量線ＣＬをＧＮＤとし、ゲート
線ＧＬをＶＤＤとして、トランジスタ１６２をオン状態とする。そして、フローティング
ゲート部ＦＧ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、フローティングゲート部ＦＧにデータ”１”を書き込む場合には、フローティングゲ
ート部ＦＧの電位がトランジスタ１６２のしきい値電圧（Ｖｔｈ＿ＯＳ）分電圧降下しな
いように、ビット線ＢＬの電位をＶＤＤとし、ゲート線ＧＬの電位をＶＤＤ＋Ｖｔｈ＿Ｏ
Ｓとしてもよい。
情報を保持する場合には、ゲート線ＧＬをＧＮＤとしてトランジスタ１６２をオフ状態に
する。また、ｐチャネル型トランジスタであるトランジスタ１６０を介して、ビット線Ｂ
Ｌとソース線ＳＬに電流が生じて電力が消費されることを抑制するために、ビット線ＢＬ
とソース線ＳＬは同電位とする。なお、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとが同電位であれば
、容量線ＣＬは、ＶＤＤでもＧＮＤでも構わない。
なお、上記において、「同電位」には、「略同電位」も含まれるものとする。すなわち、
上記においては、ビット線ＢＬとソース線ＳＬの電位差を十分に低減して、ビット線ＢＬ
とソース線ＳＬに生じる電流を抑制することを目的としているため、ソース線ＳＬの電位
をＧＮＤなどに固定した場合と比較して消費電力を十分に（百分の一以下に）低減できる
電位など、「略同電位」とした電位が「同電位」の範疇に含まれるのである。また、例え
ば、配線抵抗などに起因する電位ずれ程度の差は十分に許容される。
情報を読み出す場合には、ゲート線ＧＬの電位をＧＮＤとし、容量線ＣＬの電位をＧＮＤ
とし、ソース線ＳＬの電位をＶＤＤもしくはＶＤＤよりいくらか低い電位（以下ＶＲと表
記する）とする。ここで、フローティングゲート部ＦＧにデータ”１”が書き込まれてい
る場合は、ｐチャネル型トランジスタであるトランジスタ１６０はオフ状態となり、ビッ
ト線ＢＬの電位は、読み出し開始時の電位が維持されるか、または上昇する。なお、ビッ
ト線ＢＬの電位の維持または上昇は、ビット線ＢＬに接続される読み出し回路に依存する
。また、フローティングゲート部ＦＧにデータ”０”が書き込まれている場合は、トラン
ジスタ１６０がオン状態となり、ビット線ＢＬの電位はソース線ＳＬの電位と同電位のＶ
ＤＤもしくはＶＲとなる。したがって、ビット線ＢＬの電位を判別することで、フローテ
ィングゲート部ＦＧに保持されたデータ”１”またはデータ”０”を読み出すことができ
る。
なお、フローティングゲート部ＦＧに電位ＶＤＤが保持されている（すなわち、データ”
１”が書き込まれている）場合、読み出しの際にソース線ＳＬの電位をＶＤＤとすると、
トランジスタ１６０のゲートとソース間の電圧（以下、Ｖｇｓｐと表記する）は、Ｖｇｓ
ｐ＝ＶＤＤ−ＶＤＤ＝０Ｖとなり、Ｖｇｓｐがトランジスタ１６０のしきい値電圧（以下
、Ｖｔｈｐと表記する）よりも大きくなるため、ｐチャネル型トランジスタであるトラン
ジスタ１６０はオフ状態となる。ここで、フローティングゲート部ＦＧに書き込まれた電
位がＶＤＤに満たなかった等で、フローティングゲート部ＦＧに保持された電位がＶＤＤ
よりも小さい場合であっても、フローティングゲート部ＦＧの電位がＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ
｜以上であれば、Ｖｇｓｐ＝（ＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜）−ＶＤＤ＝−｜Ｖｔｈｐ｜＝Ｖｔ
ｈｐとなりトランジスタ１６０がオフ状態となるため、正常にデータ”１”が読み出せる
。しかしながら、フローティングゲート部ＦＧの電位がＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜より小さい
場合には、ＶｇｓｐがＶｔｈｐより小さくなるため、トランジスタ１６０はオン状態とな
り、データ”１”ではなくデータ”０”が読み出され、誤読み出しとなる。つまり、デー
タ”１”を書き込んだ場合、読み出しが可能である電位の下限値は、ソース線ＳＬの電位
ＶＤＤより｜Ｖｔｈｐ｜分低い、ＶＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜となる。一方で、読み出しの際に
ソース線ＳＬの電位をＶＲとすると、上述した通り、データ”１”の読み出しが可能であ
る電位の下限値は、ソース線ＳＬの電位ＶＲよりも｜Ｖｔｈｐ｜分低い、ＶＲ−｜Ｖｔｈ
ｐ｜となる。ここで、ＶＲはＶＤＤよりも低い電位であるので、ＶＲ−｜Ｖｔｈｐ｜はＶ
ＤＤ−｜Ｖｔｈｐ｜より小さくなる。すなわち、ソース線ＳＬの電位をＶＲとした方が、
読み出しが可能である電位の下限値は低くなる。よって、ソース線ＳＬの電位はＶＤＤと
するよりもＶＲとした方がデータ”１”の読み出しが可能である電位の幅を広くすること
ができるため好ましい。なお上限値については、ソース線ＳＬの電位をＶＲとした場合、
フローティングゲート部ＦＧにＶＤＤが書き込まれている場合のＶｇｓｐはＶＤＤ−ＶＲ
＞Ｖｔｈｐ（∵ＶＤＤ＞ＶＲ）となり問題無くオフ状態とすることができる。
ここで、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１６
０のゲート電極と、容量素子１６４の一方の電極が電気的に接続されたノード（フローテ
ィングゲート部ＦＧ）は、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。トランジスタ１６２がオフ
の場合、当該フローティングゲート部ＦＧは絶縁体中に埋設されたと見ることができ、フ
ローティングゲート部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１
６２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、フローティングゲート部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１０４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、本発明の一態様に係る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膜（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
ゲート絶縁膜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、Ｒ２≧ＲＯＳ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、本発明の一態様に係る半導体装置は、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の関係を満たすことが望ましい。Ｃ１を大きくするこ
とで、容量線ＣＬによってフローティングゲート部ＦＧの電位を制御する際に、容量線Ｃ
Ｌの電位を効率よくフローティングゲート部ＦＧに与えることができるようになり、容量
線ＣＬ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、フローティングゲート部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、本実施の形態のフローティングゲート部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優位点である。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（望ましくはＳ２≧Ｓ１）を満たしつつ、Ｃ１≧Ｃ２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εｒ
１を１０以上、好ましくは１５以上とし、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、本発明の一態様に係る半導体装置の、より一層の
高集積化が可能である。
〈応用例〉
次に、図１に示す回路を応用したより具体的な回路構成および動作について、図２乃至図
１６を参照して説明する。本実施の形態では、複数の状態を一のメモリセルに保持させる
、いわゆる多値メモリについて説明する。
図２は、半導体装置のブロック図の一例である。図２に示す半導体装置のブロック図は、
駆動回路の読み出し動作に関わる部分に特徴を有する。図２に示す半導体装置は、２ｋ値
（ｋは１以上の整数）の状態を一つのメモリセルに保持する多値メモリであり、複数のメ
モリセルを有するメモリセルアレイ２０１と、列駆動回路２０２と、行駆動回路２０３と
、を有する。
メモリセルアレイ２０１は、ｍ本のゲート線ＧＬおよび容量線ＣＬと、ｎ本のビット線Ｂ
Ｌと、ソース線ＳＬ（図２では、図示せず）と、マトリクス状に配置された複数のメモリ
セル１７０（１，１）〜１７０（ｍ，ｎ）を有する。
図２に示すメモリセル１７０（１，１）〜１７０（ｍ，ｎ）は、図１（Ａ−１）に示すメ
モリセルを適用することができる。また、メモリセル１７０（１，１）〜１７０（ｍ，ｎ
）として、図１（Ｂ）に示すメモリセルを適用することもできる。その場合には、容量線
ＣＬを省略することができる。また、メモリセル１７０（１，１）〜１７０（ｍ，ｎ）と
して、図１（Ｃ）に示すメモリセルを適用することもできる。
メモリセルアレイ２０１の構成として、図１５及び図１６に示す構成を適用することがで
きる。
図１５に、メモリセルアレイの一例を示す。図１５に示すメモリセルアレイは、ＮＯＲ型
のメモリセルアレイであり、ｍ本のゲート線ＧＬおよび容量線ＣＬと、ｎ本のビット線Ｂ
Ｌと、（ｎ／８）本のソース線ＳＬと、複数のメモリセル１７０（１，１）〜１７０（ｍ
，ｎ）と、を有する。ここで、メモリセル１７０は、縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）のマト
リクス状に配置されている。ここでは、ソース線ＳＬは、メモリセル１７０が８列に１本
設けられている。これにより、１列毎にソース線ＳＬを設ける場合に比べて配線の数を低
減することができる。また、メモリセルアレイ２０１の省スペース化を図ることができる
。もちろん、図１５に示すメモリセルアレイ２０１には、ｎ本のソース線ＳＬが設けられ
ていてもよい。また、ソース線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ／８）には、バッファ２０８を介し
てプリチャージ電位ＰＲＥが入力される。
ｎ本のビット線ＢＬおよび（ｎ／８）本のソース線ＳＬは、図２に示す列駆動回路２０２
が有するビット線／ソース線駆動回路２２１に接続されている。また、ｍ本のゲート線Ｇ
Ｌおよび容量線ＣＬは、図２に示す行駆動回路２０３が有するゲート線／容量線駆動回路
２３１に接続されている。
図１６に、メモリセルアレイの他の一例を示す。図１６に示すメモリセルアレイは、ＮＡ
ＮＤ型のメモリセルアレイであり、１本の選択線Ｇ（１）と、ｍ本のゲート線ＧＬおよび
容量線ＣＬと、ｎ本のビット線ＢＬと、１本のソース線ＳＬと、複数のメモリセル１７０
を有する。ここで、メモリセル１７０は、縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）のマトリクス状に
配置されている。
ｎ本のビット線ＢＬおよび１本のソース線ＳＬは、図２に示す列駆動回路２０２が有する
ビット線／ソース線駆動回路２２１に接続されている。また、１本の選択線Ｇ（１）、ｍ
本のゲート線ＧＬ、容量線ＣＬは、図２に示す行駆動回路２０３が有するゲート線／容量
線駆動回路２３１に接続されている。
図２に示す列駆動回路２０２は、カラムアドレス信号線ＣＡ、入力データ信号線ＤＩＮ、
出力データ信号線ＤＯＵＴ、制御信号線ＣＥ等が接続されている。また、列駆動回路２０
２には、メモリセル１７０の列毎に、読み出し回路２２５（１）〜２２５（ｎ）が設けら
れており、読み出し回路２２５（１）〜２２５（ｎ）は、それぞれビット線ＢＬ（１）〜
ＢＬ（ｎ）を介してメモリセル１７０と接続されている。列駆動回路２０２は、ビット線
ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）およびソース線ＳＬを制御する。
行駆動回路２０３は、ロウアドレス信号線ＲＡ、制御信号線ＣＥ等が接続されている。ま
た、行駆動回路２０３は、ゲート線ＧＬおよび容量線ＣＬを介してメモリセル１７０と接
続されている。行駆動回路２０３は、選択線Ｇ、ゲート線ＧＬおよび容量線ＣＬを制御す
る。
〈読み出し回路〉
次に、図２に適用することができる読み出し回路と、その駆動方法について説明する。
図３（Ａ）に、読み出し回路の一例を示す。図３（Ａ）に示す読み出し回路は、負荷３２
３と、センスアンプ３２４と、を有する。センスアンプ３２４の入力には、負荷３２３と
、ビット線ＢＬとが接続されており、センスアンプ３２４の出力は、出力信号線ＳＡ＿Ｏ
ＵＴが接続されている。また、ビット線ＢＬには、メモリセル１７０が接続される。
負荷３２３としては、図３（Ｂ−１）〜図３（Ｂ−５）を用いることができる。図３（Ｂ
−１）に示すように負荷３２３は、ｎチャネル型のトランジスタのゲート端子に、定電源
線Ｖｒｅａｄが接続されていてもよい。図３（Ｂ−２）に示すように、負荷３２３は抵抗
であっても良い。また、図３（Ｂ−３）に示すように、ｐチャネル型のトランジスタのゲ
ート端子に、定電源線Ｖｒｅａｄが接続されていてもよい。また、図３（Ｂ−４）に示す
ように、負荷３２３はｎチャネル型のトランジスタのゲート端子と、ソース端子またはド
レイン端子の一方とが接続された構成であっても良いし、図３（Ｂ−５）に示すように、
負荷３２３はｐチャネル型のトランジスタのゲート端子と、ソース端子またはドレイン端
子の一方とが接続された構成であっても良い。
ビット線ＢＬの電位は、負荷３２３と、メモリセル内の読み出しトランジスタの抵抗分割
によって決まる。そして、ビット線ＢＬの電位に応じてセンスアンプ３２４の出力が変動
する。
センスアンプ３２４の具体的な回路例の一つとしてインバータが挙げられる。インバータ
は、入力信号の電位が電源電位ＶＤＤの半分の電位を境に出力信号が変動するように設計
される。また、インバータは回路構成が少なくなるため、省スペースの読み出し回路を実
現することができる。
図４（Ａ）に、インバータ３２５の回路図を示す。図４（Ａ）に示すインバータは、ｐチ
ャネル型のトランジスタ３４１と、ｎチャネル型のトランジスタ３４２とを有する。トラ
ンジスタ３４１と、トランジスタ３４２とは、直列に接続されている。具体的には、トラ
ンジスタ３４１のゲート端子と、トランジスタ３４２のゲート端子と、入力端子とが、接
続されている。また、トランジスタ３４１のドレイン端子（またはソース端子）と、トラ
ンジスタ３４２のソース端子（またはドレイン端子）と、出力端子ＯＵＴとが、接続され
ている。また、トランジスタ３４１のソース端子（またはドレイン端子）は、ＶＤＤに接
続されており、トランジスタ３４２のドレイン端子（またはソース端子）は、ＧＮＤに接
地されている。
図４（Ｂ）に、図３（Ａ）に示すセンスアンプ３２４として、インバータ３２５を採用し
た読み出し回路と、アナログスイッチ２２３ａと、メモリセル１７０と、を示す。メモリ
セル１７０のビット線ＢＬは、アナログスイッチ２２３ａを介して、読み出し回路の負荷
３２３の一方の端子と、インバータ３２５の入力端子と、に接続される。読み出し回路の
負荷３２３の他方の端子は、接地電位ＧＮＤに接地または電源電位ＶＤＤに接続される。
また、インバータ３２５の出力端子は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに接続される。また、メ
モリセル１７０のビット線ＢＬは、トランジスタ１６０のドレイン端子と、トランジスタ
１６２のドレイン端子またはソース端子の一方に接続されている。トランジスタ１６０の
ソース端子は、電源電圧ＶＤＤに接続または接地電位ＧＮＤに接地される。
ここでは、メモリセル１７０のトランジスタ１６０は、ｐチャネル型トランジスタとし、
ｐチャネル型トランジスタと接続されるソース線ＳＬの電位は電源電位ＶＤＤとする。ま
た、読み出し回路の負荷３２３の他方の端子の電位は、接地電位ＧＮＤとする。
次に、図５に、図４（Ｂ）の読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。
読み出し動作時は、メモリセル１７０の容量線ＣＬの電位を変動させ、容量結合によって
、フローティングゲート部ＦＧの電位を変動させる。フローティングゲート部ＦＧの電位
が変動することで、メモリセル１７０のトランジスタ１６０の抵抗値が変動する。
メモリセル１７０のトランジスタ１６０の抵抗値と、読み出し回路の負荷３２３との抵抗
分割によってビット線ＢＬの電位が決定する。ビット線ＢＬの電位をインバータ３２５で
センシングすることにより、多値データの読み出しを実現することができる。
具体的には、図５（Ａ）に示すように、容量線ＣＬの電位をＨｉｇｈ電位（以下、Ｈ電位
と記す）からＬｏｗ電位（以下、Ｌ電位と記す）へと徐々に下降させる場合、フローティ
ングゲート部ＦＧの電位は容量結合により、容量線ＣＬと同様に高電位側から低電位側へ
と徐々に下降する。フローティングゲート部ＦＧの電位が高電位側から低電位側へと徐々
に下降すると、読み出しトランジスタ（図４（Ｂ）においては、トランジスタ１６０）の
抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する。ビット線ＢＬの電位は、読み出し回路の負
荷３２３と、トランジスタ１６０の抵抗分割により決定するため、トランジスタ１６０の
抵抗値が下降するにつれ、ビット線ＢＬの電位は上昇する。
ビット線ＢＬが一定の電位（例えば、（ＶＤＤ／２））を超えると、読み出し回路のイン
バータ３２５は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｈ電位からＬ電位へと変化
する。電位が変化する位置により、メモリセル１７０のデータを決定することができる。
ここで、インバータ３２５は、ビット線ＢＬの電位が（ＶＤＤ／２）に近いほど、貫通電
流が流れてしまう。具体的には、ビット線ＢＬの電位が（ＶＤＤ／２）の場合、ｐチャネ
ル型のトランジスタ３４１のゲート端子とドレイン端子には（ＶＤＤ／２）の電位差が発
生し、トランジスタ３４１のソース端子とドレイン端子が導通する。同様に、ｎチャネル
型のトランジスタ３４２のゲート端子とソース端子には（ＶＤＤ／２）の電位差が発生し
、ｎチャネル型のトランジスタ３４２のソース端子とドレイン端子が導通する。すると、
インバータ３２５を介して、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤが導通してしまい、貫通電
流が発生する。ビット線ＢＬの電位が（ＶＤＤ／２）からずれると、ｐチャネル型のトラ
ンジスタ３４１またはｎチャネル型のトランジスタ３４２の抵抗値が上昇し、貫通電流は
徐々に抑制される。なお、図５（Ａ）の電流Ｉ＿ＩＮＶは、インバータ３２５の貫通電流
の電流量を表す。
同様に、図５（Ｂ）において、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上昇させ
る場合フローティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により、容量線ＣＬと同様に低電位
側から高電位側へと徐々に上昇する。フローティングゲート部ＦＧの電位が低電位側から
高電位側へ徐々に上昇すると、トランジスタ１６０の抵抗値が低抵抗側から高抵抗側へと
変化する。ビット線ＢＬの電位は、読み出し回路の負荷３２３と、トランジスタ１６０の
抵抗分割により決定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が上がるにつれ、ビット線Ｂ
Ｌの電位は下降する。
ビット線ＢＬが一定の電位（例えば、（ＶＤＤ／２））を超えると、読み出し回路のイン
バータ３２５は出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｌ電位からＨ電位へと変化す
る。電位が変化する位置により、メモリセル１７０のデータを読み出すことができる。な
お、図５（Ｂ）の電流Ｉ＿ＩＮＶは、インバータ３２５の貫通電流の電流量を表す。
センスアンプ３２４の具体的な回路例としてインバータ３２５を適用することにより、メ
モリ読み出し回路の小型化を実現することができる。これにより、メモリ周辺回路の省ス
ペース化を図ることができる。
次に、図６および図８を用いて、図４と異なる読み出し回路の例を示す。図６および図８
において、センスアンプとしてクロックで制御可能なクロックドインバータ３２６を用い
る。また、クロックドインバータ３２６の出力がハイインピーダンスになることを防止す
るため、ＶＤＤまたはＧＮＤに接続したｐチャネル型のトランジスタ３２７またはｎチャ
ネル型のトランジスタ３２８を、クロックドインバータ３２６の出力端子に接続する。
図６（Ａ）に、クロックドインバータ３２６の回路図を示す。クロックドインバータ３２
６は、２つのｐチャネル型トランジスタと、２つのｎチャネル型トランジスタとを有し、
これらが順に直列接続されている。ｐチャネル型のトランジスタ３４１と、ｎチャネル型
のトランジスタ３４２とは、直列に接続されている。具体的には、トランジスタ３４１の
ゲート端子と、トランジスタ３４２のゲート端子と、入力端子ＩＮとが、接続されている
。また、トランジスタ３４１のドレイン端子（またはソース端子）と、トランジスタ３４
２のソース端子（またはドレイン端子）と、出力端子ＯＵＴとは、接続されている。また
、ｐチャネル型のトランジスタ３４１のソース端子（またはドレイン端子）と、ｐチャネ
ル型のトランジスタ３４３のドレイン端子（またはソース端子）とは接続されており、ト
ランジスタ３４３はＶＤＤに接続されている。また、ｎチャネル型のトランジスタ３４２
のドレイン端子（またはソース端子）と、ｎチャネル型のトランジスタ３４４のソース端
子（またはドレイン端子）とは接続されており、トランジスタ３４４のドレイン端子（ま
たはソース端子）は、ＧＮＤに接地されている。また、トランジスタ３４３のゲート端子
には、反転制御信号線ＣＬＫＢ（ＣＬＫＢ信号線ともいう）が接続され、トランジスタ３
４４のゲート端子には、制御信号線ＣＬＫ（ＣＬＫ信号線とも言う）が接続される。なお
、反転制御信号線ＣＬＫＢは、制御信号線ＣＬＫの反転信号である。
クロックドインバータ３２６は、制御信号線ＣＬＫの電位がＨ電位、反転制御信号線ＣＬ
ＫＢの電位がＬ電位の際、入力信号線の電位が（ＶＤＤ／２）以上で出力信号線にＬ電位
を出力し、入力信号線の電位が（ＶＤＤ／２）未満で出力信号線にＨ電位を出力する。ま
た、制御信号線ＣＬＫの電位がＬ電位、反転制御信号線ＣＬＫＢの電位がＨ電位の際は、
ビット線ＢＬの電位に関係なく、出力信号線はハイインピーダンスとなる。
図６（Ｂ）に、クロックドインバータ３２６の入力には負荷３２３が接続され、クロック
ドインバータ３２６の出力に、ＶＤＤに接続したｐチャネル型のトランジスタ３２７が接
続された読み出し回路を示す。また、読み出し回路は、アナログスイッチ２２３ａを介し
てメモリセル１７０が接続されている。
次に、図７に、図６の読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。図６において、
容量線ＣＬの電位をＨ電位からＬ電位へと徐々に下降させる場合のタイミングチャートを
図７（Ａ）に示し、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上げていく場合のタ
イミングチャートを図７（Ｂ）に示す。
図７（Ａ）において、容量線ＣＬの電位をＨ電位からＬ電位へと徐々に下降させる場合、
フローティングゲート部ＦＧの電位は、容量結合により容量線ＣＬと同様に高電位側から
低電位側へと徐々に下降する。フローティングゲート部ＦＧの電位が高電位側から低電位
側へ下降すると、トランジスタ１６０の抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する。ビ
ット線ＢＬの電位は読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割により決
定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が下降するにつれ、ビット線ＢＬの電位は上昇
する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号を出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに発生させるこ
とができる。
具体的には、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際は、電源電位ＶＤＤに接続されたトランジス
タ３２７のゲート端子にＨ電位が入力されるため、電源電位ＶＤＤは出力信号線ＳＡ＿Ｏ
ＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ３２６の出力
が出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位が一定の電位（例えば、（
ＶＤＤ／２））を超えると、読み出し回路のクロックドインバータ３２６は、出力信号線
ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｈ電位からＬ電位へと変化する。ＣＬＫ信号の電位がＬ
電位の際は、クロックドインバータ３２６は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに対してハイイン
ピーダンスとなり、電源電位ＶＤＤに接続されたｐチャネル型のトランジスタ３２７によ
り電源電位ＶＤＤと出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位によら
ず、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴはＨ電位となる。
ここで、クロックドインバータ３２６は、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際に、ビット線Ｂ
Ｌの電位が（ＶＤＤ／２）に近いほど、貫通電流が流れてしまう。具体的には、ビット線
ＢＬの電位が（ＶＤＤ／２）であり、クロックドインバータのトランジスタ３４３のゲー
ト端子にＬ電位が入力された場合、電源電位ＶＤＤがトランジスタ３４１のドレイン端子
に導通する。このとき、クロックドインバータのトランジスタ３４１のゲート端子とドレ
イン端子には（ＶＤＤ／２）の電位差が発生し、トランジスタ３４１のソース端子とドレ
イン端子が導通する。同様に、クロックドインバータのトランジスタ３４４のゲート端子
にＨ電位が入力され、接地電位ＧＮＤがトランジスタ３４２のソース端子に導通する。こ
のとき、トランジスタ３４２のゲート端子とソース端子には（ＶＤＤ／２）の電位差が発
生し、トランジスタ３４２のソース端子とドレイン端子が導通する。すると、クロックド
インバータ３２６を介して、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤは導通してしまい、貫通電
流が発生する。ビット線ＢＬの電位が（ＶＤＤ／２）からずれると、トランジスタ３４１
もしくはトランジスタ３４２の抵抗値が上昇し、貫通電流は徐々に抑制される。
しかし、ＣＬＫ信号の電位がＬ電位の際は、トランジスタ３４３のゲート端子にＨ電位が
入力され、電源電位ＶＤＤがトランジスタ３４１のドレイン端子に導通しなくなる。また
、トランジスタ３４４のゲート端子にＬ電位が入力され、接地電位ＧＮＤがトランジスタ
３４２のソース端子に導通しなくなる。これにより、クロックドインバータ３２６を介し
て、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤが導通することは無いため、ビット線ＢＬの電位に
よらず、クロックドインバータ３２６を介しての貫通電流は抑制される。なお、図７（Ａ
）の電流Ｉ＿ＩＮＶは、クロックドインバータ３２６の貫通電流の電流量を表す。図７（
Ａ）に示すように、センスアンプとしてクロックドインバータ３２６を適用した場合は、
図５（Ａ）に示すセンスアンプとしてインバータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通
電流を抑制することができる。
ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によって、メモリセ
ル１７０のデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位になる時
間を制御することによって、読み出し動作で消費されるクロックドインバータ３２６の貫
通電流を低減させることができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位またはＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は
無い。むしろ、前記で示されるようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうがクロ
ックドインバータ３２６の貫通電流が発生する時間を短くすることができるため、読み出
し回路の消費電流の削減により効果がある。
次に、図７（Ｂ）において、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上昇させる
場合、フローティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により容量線ＣＬと同様に低電位側
から高電位側へと徐々に上昇する。フローティングゲート部ＦＧの電位が低電位側から高
電位側へ上昇すると、トランジスタ１６０の抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する
。ビット線ＢＬの電位は読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割によ
り決定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が上昇するにつれ、ビット線ＢＬの電位は
下降する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号を出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに発生させるこ
とができる。
具体的には、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際は、電源電位ＶＤＤに接続されたトランジス
タ３２７のゲート端子にＨ電位が入力されるため、電源電位ＶＤＤは出力信号線ＳＡ＿Ｏ
ＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ３２６の出力
が出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位が一定の電位（例えば、（
ＶＤＤ／２））未満の場合、読み出し回路のクロックドインバータ３２６は、出力信号線
ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｈ電位からＬ電位へと変化する。ＣＬＫ信号の電位がＬ
電位の際は、クロックドインバータ３２６は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに対してハイイン
ピーダンスとなり、ＶＤＤに接続されたｐチャネル型のトランジスタ３２７によりＶＤＤ
と出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位によらず、出力信号線Ｓ
Ａ＿ＯＵＴはＨ電位となる。
図７（Ａ）において説明したのと同様に、図７（Ｂ）に示すように、センスアンプとして
クロックドインバータ３２６を適用した場合は、図５（Ｂ）に示すセンスアンプとしてイ
ンバータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通電流を抑制することができる。
ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によって、メモリセ
ル１７０のデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号で読み出しの時間が制御
されることによって、読み出し動作で消費される電流を低減させることができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位またはＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は
無い。むしろ、図７（Ｂ）に示すようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうが消
費電流の削減に効果がある。ただし、読み出し動作に支障が起きないことを前提とする。
以上のように、センスアンプの具体的な回路例としてクロックドインバータ３２６を適用
することにより、少ない回路構成で、貫通電流を抑制したメモリ読み出し回路を実現する
ことができる。これらにより、メモリセルアレイの周辺回路の省スペース化と、消費電流
の削減と、を図ることができる。
図８に、クロックドインバータ３２６の入力に負荷３２３が接続され、クロックドインバ
ータ３２６の出力に、ＧＮＤに接地したｎチャネル型のトランジスタ３２８が接続された
読み出し回路を示す。読み出し回路には、アナログスイッチ２２３ａを介してメモリセル
１７０が接続されている。
図９に、図８の読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。図８において、容量線
ＣＬの電位をＨ電位からＬ電位へと徐々に下降させる場合のタイミングチャートを図９（
Ａ）に、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上げていく場合のタイミングチ
ャートを図９（Ｂ）に示す。
図９（Ａ）において、容量線ＣＬの電位をＨ電位からＬ電位へと徐々に下降させる場合、
フローティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により容量線ＣＬと同様に高電位側から低
電位側へと徐々に下降する。フローティングゲート部ＦＧの電位が高電位側から低電位側
へ下がっていくと、トランジスタ１６０の抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する。
ビット線ＢＬの電位は、読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割によ
り決定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が下降するにつれ、ビット線ＢＬの電位が
上昇する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号を出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに発生させるこ
とができる。
具体的には、ＣＬＫＢ信号の電位がＬ電位の際は、接地電位ＧＮＤに接地されたトランジ
スタ３２８はゲート端子にＬ電位が入力されるため、接地電位ＧＮＤは出力信号線ＳＡ＿
ＯＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ３２６の出
力が出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位が一定の電位（例えば、
（ＶＤＤ／２））未満の場合、読み出し回路のクロックドインバータ３２６は、出力信号
線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｌ電位からＨ電位へと変化する。ＣＬＫＢ信号の電位
がＨ電位の際は、クロックドインバータ３２６は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに対してハイ
インピーダンスとなり、接地電位ＧＮＤに接地されたｎチャネル型のトランジスタ３２８
により、接地電位ＧＮＤと出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位
によらず、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴはＬ電位となる。
図７（Ａ）において説明したのと同様に、図９（Ａ）に示すように、センスアンプとして
クロックドインバータ３２６を適用した場合は、図５（Ａ）に示すセンスアンプとしてイ
ンバータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通電流を抑制することができる。
ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によって、メモリセ
ル１７０のデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号で読み出しの時間が制御
されることによって、読み出し動作で消費される電流を低減させることができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位またはＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は
無い。むしろ、図９（Ａ）に示すようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうが消
費電流の削減に効果がある。ただし、読み出し動作に支障が起きないことを前提とする。
次に、図９（Ｂ）において、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上昇させる
場合、フローティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により容量線ＣＬと同様に低電位側
から高電位側へと徐々に上昇する。フローティングゲート部ＦＧの電位が低電位側から高
電位側へ上昇すると、トランジスタ１６０の抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する
。ビット線ＢＬの電位は読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割によ
り決定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が上昇するにつれ、ビット線ＢＬの電位は
下降する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号を出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに発生させるこ
とができる。
具体的には、ＣＬＫＢ信号の電位がＬ電位の際は、接地電位ＧＮＤに接地されたトランジ
スタ３２８はゲート端子にＬ電位が入力されるため、接地電位ＧＮＤは出力信号線ＳＡ＿
ＯＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ３２６の出
力が出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位が一定の電位（例えば、
（ＶＤＤ／２））を超えると、読み出し回路のクロックドインバータ３２６は、出力信号
線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｈ電位からＬ電位へと変化する。ＣＬＫＢ信号の電位
がＨ電位の際は、クロックドインバータ３２６は、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに対してハイ
インピーダンスとなり、接地電位ＧＮＤに接地されたｎチャネル型のトランジスタ３２８
により、接地電位ＧＮＤと出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位
によらず、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴはＬ電位となる。
図７（Ａ）において説明したのと同様に、図９（Ｂ）に示すように、センスアンプとして
クロックドインバータ３２６を適用した場合は、図５（Ｂ）に示すセンスアンプとしてイ
ンバータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通電流を抑制することができる。
ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によって、メモリセ
ル１７０のデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号で読み出しの時間が制御
されることによって、読み出し動作で消費される電流を低減させることができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位またはＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は
無い。むしろ、図９（Ｂ）に示すようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうが消
費電流の削減に効果がある。ただし、読み出し動作に支障が起きないことを前提とする。
メモリセル１７０が多値化することにより、メモリセル１７０内のトランジスタ１６０の
抵抗値の変化は細かくなり、読み出し回路内の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分
割によって、ビット線ＢＬの電位が中間電位になりやすくなる。
この場合、図３に示すセンスアンプとして適用する素子によっては、図５に示すように入
力信号の電位が（ＶＤＤ／２）に近づくにつれ、貫通電流が流れてしまうおそれがある。
また、メモリセル１７０の読み出し動作では、複数のビットを同時に読み出すことができ
るため、大量の消費電流を招くおそれがある。貫通電流を防止するために、センスアンプ
の代わりにコンパレータなどの回路構成を適用することができるが、回路面積が大きくな
ってしまう問題がある。
そこで、図６および図８に示すように、センスアンプの代わりにクロックドインバータ３
２６を適用することにより、貫通電流の低減を図ることができる。これにより、メモリセ
ル１７０の読み出し動作において、読み出し回路に貫通電流が流れることを抑制すること
ができる。また、複数のビットを同時に読み出す場合であっても、消費電力の低減を図る
ことができる。さらに、少ない回路構成で、メモリ読み出し回路を実現することができる
。読み出し回路の小型化を図ることができる。これらにより、メモリ周辺回路の省スペー
ス化と、消費電流の削減と、を図ることができる。
次に、図１０及び図１２に、図６および図８に示す読み出し回路とは異なる読み出し回路
の例を示す。図１０及び図１２において、センスアンプとしてクロックで制御可能なクロ
ックドインバータ３２６を用いる。また、クロックドインバータ３２６の出力がハイイン
ピーダンスになることを防止するため、ＶＤＤまたはＧＮＤに接続したｐチャネル型もし
くはｎチャネル型トランジスタをクロックドインバータ３２６の出力端子に接続する。さ
らに、クロックドインバータ３２６の出力にラッチ回路３２９を接続し、制御信号ＲＥを
追加することで、より制御性に富んだ読み出し回路を実現することができる。
図１０に、クロックドインバータ３２６の入力には負荷３２３が接続され、クロックドイ
ンバータ３２６の出力に、ＶＤＤに接続したｐチャネル型のトランジスタ３２７と、制御
信号ＲＥによって制御されたラッチ回路３２９と、を接続した読み出し回路を示す。また
、読み出し回路は、アナログスイッチ２２３ａを介してメモリセル１７０が接続されてい
る。
次に、図１１に、図１０の読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。
図１１において、容量線ＣＬの電位をＨ電位からＬ電位へと徐々に下降させる場合、フロ
ーティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により容量線ＣＬと同様に高電位側から低電位
側へと徐々に下降する。フローティングゲート部ＦＧの電位が高電位側から低電位側へ下
降すると、トランジスタ１６０の抵抗値が高抵抗側から低抵抗側へと変化する。ビット線
ＢＬの電位は読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割により決定する
ため、トランジスタ１６０の抵抗値が下降するにつれ、ビット線ＢＬの電位は上昇する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号をインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに
発生させることができる。
具体的には、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際は、電源電位ＶＤＤに接続されたトランジス
タ３２７はゲート端子にＨ電位が入力されるため、電源電位ＶＤＤはインバータ出力信号
線ＩＮＶ＿ＯＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ
３２６の出力がインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位
が一定の電位（例えば、（ＶＤＤ／２））を超えると、読み出し回路のクロックドインバ
ータ３２６は、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｈ電位からＬ電
位へと変化する。ＣＬＫ信号の電位がＬ電位の際は、クロックドインバータ３２６は、イ
ンバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに対してハイインピーダンスとなり、ＶＤＤに接続さ
れたｐチャネル型のトランジスタ３２７によりＶＤＤとインバータ出力信号線ＩＮＶ＿Ｏ
ＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位によらず、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵ
ＴはＨ電位となる。
ここで、ラッチ回路３２９は、制御信号ＲＥとインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴによ
って出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位を生成する。
具体的には、ラッチ回路３２９は、制御信号ＲＥがＬ電位からＨ電位に変化すると出力信
号線ＳＡ＿ＯＵＴにＨ電位を出力する。ここで、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴが
Ｈ電位からＬ電位になると、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴにＬ電位を出力する。その後、制御
信号ＲＥがＨ電位の状態で出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴがＬ電位になった場合、ＩＮＶ＿ＯＵ
Ｔが再びＨ電位になっても出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴはＬ電位を維持する。
図７（Ａ）において説明したのと同様に、図１１に示すように、センスアンプとしてクロ
ックドインバータ３２６を適用した場合は、図５（Ｂ）に示すセンスアンプとしてインバ
ータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通電流を抑制することができる。
また、クロックドインバータ３２６の出力に、ＶＤＤに接続したｐチャネル型のトランジ
スタ３２７と、制御信号ＲＥによって制御されたラッチ回路３２９と、を接続することに
より、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴの波形を整形することができる。
ラッチ回路３２９の動作及びタイミングについては、これに限定するものではなく、同様
の機能を持つ回路であればよい。
ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によって、メモリセ
ル１７０のデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号で読み出しの時間が制御
されることによって、読み出し動作で消費される電流を低減することができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位またはＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は
無い。むしろ、図１１に示すようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうが消費電
流の削減に効果がある。ただし、読み出し動作に支障が起きないことを前提とする。
図１２に、クロックドインバータ３２６の入力には負荷３２３が接続され、クロックドイ
ンバータ３２６の出力に、ＧＮＤに接地したｎチャネル型のトランジスタ３２８と、制御
信号ＲＥによって制御されたラッチ回路３２９と、を接続した読み出し回路を示す。また
、読み出し回路は、アナログスイッチ２２３ａを介してメモリセル１７０が接続されてい
る。
次に、図１３に、図１２の読み出し動作におけるタイミングチャートを示す。図１３にお
いて、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上昇させる場合のタイミングチャ
ートを示す。
図１３において、容量線ＣＬの電位をＬ電位からＨ電位へと徐々に上昇させる場合、フロ
ーティングゲート部ＦＧの電位は容量結合により容量線ＣＬの電位と同様に低電位側から
高電位側へと徐々に上昇する。フローティングゲート部ＦＧの電位が低電位側から高電位
側へ上昇すると、トランジスタ１６０の抵抗値が低抵抗側から高抵抗側へと変化する。ビ
ット線ＢＬの電位は読み出し回路の負荷３２３とトランジスタ１６０の抵抗分割により決
定するため、トランジスタ１６０の抵抗値が上昇するにつれ、ビット線ＢＬの電位は下降
する。
ここで、容量線ＣＬの電位が変動する毎に、ＣＬＫ信号線にＨ電位のパルスを発生させる
。これにより、ビット線ＢＬの電位が変動する毎に読み出し回路のクロックドインバータ
３２６がビット線ＢＬの電位に応じた出力信号をインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに
発生させることができる。
具体的には、ＣＬＫＢ信号の電位がＬ電位の際は接地電位ＧＮＤに接地されたトランジス
タ３２８はゲート端子にＬ電位が入力されるため、接地電位ＧＮＤはインバータ出力信号
線ＩＮＶ＿ＯＵＴと導通しなくなり、ビット線ＢＬの電位に対するクロックドインバータ
３２６の出力がインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに反映される。ビット線ＢＬの電位
が一定の電位（例えば、（ＶＤＤ／２））未満の場合、読み出し回路のクロックドインバ
ータ３２６は、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに出力する電位が、Ｌ電位からＨ電
位へと変化する。ＣＬＫＢ信号の電位がＨ電位の際は、クロックドインバータ３２６は、
インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴに対してハイインピーダンスとなり、ＶＤＤに接続
されたｎチャネル型のトランジスタ３２８によりＧＮＤとインバータ出力信号線ＩＮＶ＿
ＯＵＴが導通するため、ビット線ＢＬの電位によらず、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿Ｏ
ＵＴはＬ電位となる。
ここで、ラッチ回路３２９は、制御信号ＲＥとインバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴによ
って出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴに出力する電位を生成する。
具体的には、ラッチ回路３２９は、制御信号ＲＥがＬ電位からＨ電位に変化すると出力信
号線ＳＡ＿ＯＵＴにＨ電位を出力する。ここで、インバータ出力信号線ＩＮＶ＿ＯＵＴが
Ｌ電位からＨ電位になると、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴにＬ電位を出力する。その後制御信
号ＲＥがＨ電位の状態で出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴがＬ電位になった場合、ＩＮＶ＿ＯＵＴ
が再びＬ電位になっても出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴはＬ電位を維持する。
図７（Ａ）において説明したのと同様に、図１３に示すように、センスアンプとしてクロ
ックドインバータ３２６を適用した場合は、図５（Ｂ）に示すセンスアンプとしてインバ
ータ３２５を用いた場合よりも、さらに貫通電流を抑制することができる。
また、クロックドインバータ３２６の出力に、ＶＤＤに接続されたｐチャネル型のトラン
ジスタ３２７と、制御信号ＲＥによって制御されたラッチ回路３２９と、を接続すること
により、出力信号線ＳＡ＿ＯＵＴの波形を整形することができる。
ラッチ回路３２９の動作及びタイミングについては、これに限定するものではなく、同様
の機能を持つ回路であればよい。
このように、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位の際のクロックドインバータ３２６の出力によっ
て、メモリセルのデータを確定することができる。さらに、ＣＬＫ信号で読み出しの時間
が制御されることによって、読み出し動作で消費される電流を低減することができる。
ここで、ＣＬＫ信号の電位がＨ電位又はＬ電位となる時間の比は、１：１である必要は無
い。むしろ、図１３に示すようにＣＬＫ信号の電位はＨ電位の時間が短いほうが消費電流
の削減に効果がある。ただし、読み出し動作に支障が起きないことを前提とする。
以上のように、センスアンプの具体的な回路例としてクロックドインバータを適用するこ
とにより、少ない回路構成で、貫通電流を抑制したメモリ読み出し回路を実現することが
できる。これらにより、メモリ周辺回路の省スペース化と、消費電流の削減と、を図るこ
とができる。さらに、半導体装置の省スペース化と、消費電流の削減と、を図ることがで
きる。
次に、図３乃至図１３を適用することができる半導体装置の一例を示す。
具体的には、入出力データ信号線Ｉ／Ｏを８本有し、１つのメモリセルに対して４ビット
（１６値（２４値））のデータを書き込み又は読み出しする回路構成を例として、説明す
る。また、特に断りのない限り、Ｈ電位はＶＤＤ、Ｌ電位はＧＮＤを示す。
図１４は、半導体装置のブロック図の一例である。図１４に示す半導体装置は、複数のメ
モリセル１７０を有するメモリセルアレイ２０１と、列駆動回路２０２と、行駆動回路２
０３と、コントローラ２０４と、カウンタ２０６と、Ｉ／Ｏ制御回路２０５と、電位生成
回路２０７と、を有する。
メモリセルアレイ２０１は、ビット線ＢＬおよびソース線ＳＬを制御する列駆動回路２０
２と、ゲート線ＧＬおよび容量線ＣＬを制御する行駆動回路２０３と、に接続されている
。列駆動回路２０２は、電位生成回路２０７と、カウンタ２０６と、Ｉ／Ｏ制御回路２０
５と、に接続されている。行駆動回路２０３は、電位生成回路２０７に接続されている。
また、電位生成回路２０７はカウンタ２０６に接続されている。メモリセルアレイ２０１
を除くこれらの回路は、コントローラ２０４に接続されている。
Ｉ／Ｏ制御回路２０５は、８本の入出力データ信号線Ｉ／Ｏ１〜Ｉ／Ｏ８が接続され、入
力データ信号線ＤＩＮ１〜ＤＩＮ８および出力データ信号線ＤＯＵＴ１〜ＤＯＵＴ８を介
して列駆動回路２０２に接続されている。また、Ｉ／Ｏ制御回路２０５は、コントローラ
２０４によって制御される。例えば、Ｉ／Ｏ制御回路２０５にコントローラ２０４と接続
される制御線からＨ電位が入力された場合、８本の入出力データ信号線Ｉ／Ｏ１〜Ｉ／Ｏ
８の信号がＩ／Ｏ制御回路２０５に入力され、それぞれ８本の入力データ信号線ＤＩＮ１
〜ＤＩＮ８と導通し、列駆動回路２０２に出力する。または、Ｉ／Ｏ制御回路２０５にコ
ントローラ２０４と接続される制御線からＬ電位が入力された場合、列駆動回路２０２か
ら８本の出力データ信号線ＤＯＵＴ１〜ＤＯＵＴ８の信号がＩ／Ｏ制御回路２０５に入力
され、それぞれ８本の入出力データ信号線Ｉ／Ｏ１〜Ｉ／Ｏ８と導通し、入出力データ信
号線Ｉ／Ｏ１〜Ｉ／Ｏ８に出力する。
カウンタ２０６は、カウンタ信号線ＣＯＵＮＴ１〜ＣＯＵＮＴ４を介して列駆動回路２０
２および電位生成回路２０７とそれぞれ接続されている。また、カウンタ２０６は、コン
トローラ２０４によって制御され、４ビットのカウンタ信号線ＣＯＵＮＴ１〜ＣＯＵＮＴ
４のデータを、列駆動回路２０２および電位生成回路２０７にそれぞれ出力する。
電位生成回路２０７は、アナログ電源電圧線Ｖ１〜Ｖ１６および定電源線Ｖｒｅａｄを介
して列駆動回路２０２に接続され、可変電源線ＶＲを介して行駆動回路２０３に接続され
ている。また、電位生成回路２０７は、コントローラ２０４によって制御され、高電源電
圧ＶＨと、アナログ電源電圧線Ｖ１〜Ｖ１６の電圧と、定電源線Ｖｒｅａｄの電圧を、列
駆動回路２０２に出力し、カウンタ信号線ＣＯＵＮＴ１〜ＣＯＵＮＴ４のデータによって
電圧が変動する可変電源線ＶＲの電圧と、高電源電圧ＶＨを行駆動回路２０３に出力する
。本実施の形態では、アナログ電源電圧線Ｖ１〜Ｖ１６の電圧の関係は、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ
３＜Ｖ４＜Ｖ５＜Ｖ６＜Ｖ７＜Ｖ８＜Ｖ９＜Ｖ１０＜Ｖ１１＜Ｖ１２＜Ｖ１３＜Ｖ１４＜
Ｖ１５＜Ｖ１６＜ＶＨとする。また、アナログ電源電圧線Ｖ１の電圧は、ＧＮＤとする。
可変電源線ＶＲの電圧は、カウンタ信号線ＣＯＵＮＴ１〜ＣＯＵＮＴ４のデータが小さい
ほど大きくなるものとする。但し、可変電源線ＶＲは、コントローラ２０４によって制御
されており、読み出し動作時は、カウンタ信号線ＣＯＵＮＴ１〜ＣＯＵＮＴ４のデータに
応じた電圧を出力するが、それ以外の場合は、Ｌ電位を出力する。
図１４に示すビット線／ソース線駆動回路２２１には、上述の読み出し回路が設けられて
いる。読み出し回路に、クロックドインバータ３２６を適用することにより、少ない回路
構成で、貫通電流を抑制したメモリ読み出し回路を実現することができる。これらにより
、メモリ周辺回路の省スペース化と、消費電流の削減と、を図ることができる。さらに、
半導体装置の省スペース化と、消費電流の削減と、を図ることができる。
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、本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１７乃至図２２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１７は、半導体装置の構成の一例である。図１７（Ａ）には、半導体装置の断面を、図
１７（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図１７（Ａ）は、図１７
（Ｂ）のＡ１−Ａ２およびＢ１−Ｂ２における断面に相当する。図１７（Ａ）および図１
７（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。ここで、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１７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、本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１７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１
３２（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、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１２
８ｂ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１
３６、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１７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１７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
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５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３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 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ）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損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１×１０１２／ｃｍ３未満、望ましく
は、１×１０１１／ｃｍ３未満、より望ましくは１．４５×１０１０／ｃｍ３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１
０ｚＡ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１７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１７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１５Ｆ２〜２５Ｆ２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１８
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１８（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：Ｓｏｌ
ａｒ 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１８（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１
６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５
１０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１８（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（ＯＣ２Ｈ５）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、ＳｉＯｘ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、ＮＦ３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１
８（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５０ｎ
ｍ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、Ｈ３ ＋の比率を高くすると良い。具体的には、Ｈ＋、Ｈ２ ＋、Ｈ３ ＋の総
量に対してＨ３ ＋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。
Ｈ３ ＋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１８（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／ｃｍ２以上１００Ｎ／ｃｍ２以下、例えば、１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２
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、本発明の一態様
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１８
（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、
５００℃以下（４００℃以上）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、５０
０℃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１８（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１８（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１９乃至図２２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１９および図２０を参照して
説明する。なお、図１９および図２０は、図１８に示す方法で作製したＳＯＩ基板の一部
であって、図１７（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１９（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１９（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１
２０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、Ｈ
ｅ、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
ちいずれ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（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフ
ニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞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１００ｎ
ｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。ここでは、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、一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１９（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１９（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１９（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、導電材料を含む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２０（Ａ）参照）。ここでは、ｐ型トランジスタを形成す
るために、ボロン（Ｂ）などの不純物元素を添加する。または、ｎ型トランジスタを形成
する場合には、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２０（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１４
０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１
３６、絶縁層１３８および絶縁層１４０の積層構造としているが、本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２０（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２０（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２０（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２１および図２２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１４
０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２１（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Ｃ
ＶＤ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。
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、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の
材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉ
ｎ−Ｈｆ−Ａｌ−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、
Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ
系の材料、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｍ
−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、
Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ
系の材料、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｙｂ
−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌｕ−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、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ＳｉＯ２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。
また、酸化物半導体として、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料
を用いてもよい。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、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、酸化物半導体として、Ｉｎ３Ｓ
ｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇ
ａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
系の材料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−Ｏ系の材料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−Ｏ系の材料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−Ｏ系の材料でも、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≦ｒ２
を満たすことをいい、ｒとしては、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、Ｓ０は、測定面（座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ１，ｙ２）（ｘ２，ｙ１
）（ｘ２，ｙ２）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、Ｚ０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。
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇ
ａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の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、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ
２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比のターゲットを用いることもできる
。
また、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料のターゲットとしては、組成比として、原子数比で、Ｉｎ
：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：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Ｉｎ２Ｏ３：Ｚ
ｎＯ＝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Ｉｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ
−Ｏ系の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−Ｏ系の材料は、ＩＴＺＯと呼ぶことができ、用いるターゲット
の組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：２：２、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：
３、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２０：４５：３５などと
なる酸化物ターゲットを用いる。
酸化物ターゲットの相対密度は、９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．
９％以下とする。相対密度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。
本実施の形態では、酸化物半導体層を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のターゲットを用いたス
パッタリング法により形成する。
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５
００℃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４
５０℃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
除去し、酸化物半導体層１４４の構造を整え、エネルギーギャップ中の欠陥準位を低減す
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（９９．９
９９９％）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、ゲート絶縁膜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
良い。
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２１（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（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化
インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）、酸化
インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―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１４２
ｂ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１
４２ｂ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２１（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。
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１４
４と酸化物導電膜を形成する。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（エッチング材の種類、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として、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。
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。
酸化物半導体層１４４、酸化物導電層、金属材料からなるソース電極及びドレイン電極の
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２１（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（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネー
ト（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞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（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞
０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞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１
４６）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。
ここで、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Ｇａ２Ｏｘ
（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Ａｌ２ＯＸ（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ＧａＸＡｌ２−ＸＯ３＋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欠損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および下地絶縁層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２５
０℃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、酸化物半導体層１４４
に酸素を供給し、該酸化物半導体層１４４の酸素欠損を補填することができる。
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。
上述のように、第１の熱処理と第２の熱処理の少なくとも一方を適用することで、酸化物
半導体層１４４を、その水素原子を含む物質が極力含まれないように高純度化することが
できる。
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
２１（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１
４８ｂ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１
５０を形成する（図２２（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、本発明の一態様は
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２２（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
く形成し、ＰＶＤ法によりチタン膜を薄く（５ｎｍ程度）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２２（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２２（Ｃ）参照）。
次に、図１７に示すトランジスタ１６２として適用することができる、トランジスタの例
を示す。
また、酸化物半導体層１４４とソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂとの間に、ソ
ース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電層をバッファ層として設けてもよい
。図１７に示すトランジスタ１６２に酸化物導電層を設けたトランジスタ４４１、４４２
を図２４（Ａ）（Ｂ）に示す。なお、絶縁層４００は、絶縁層１３６、絶縁層１３８、絶
縁層１４０などに相当する。
図２４（Ａ）（Ｂ）のトランジスタ４４１、４４２は、酸化物半導体層１４４とソース電
極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂとの間に、ソース領域及びドレイン領域として機能す
る酸化物導電層４０４ａ、４０４ｂが形成されている。図２４（Ａ）（Ｂ）のトランジス
タ４４１、４４２は作製工程により酸化物導電層４０４ａ、４０４ｂの形状が異なる例で
ある。
図２４（Ａ）のトランジスタ４４１では、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する。酸化物半導体層及び酸
化物導電膜上にソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを形成した後、ソース電極１
４２ａ、ドレイン電極１４２ｂをマスクとして、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４０４ａ、４０４ｂを形成する。
図２４（Ｂ）のトランジスタ４４２では、酸化物半導体層１４４上に酸化物導電膜を形成
し、その上に金属導電膜を形成し、酸化物導電膜および金属導電膜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４０４ａ
、４０４ｂ、ソース電極１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂを形成する。
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（エッチング材の種類、濃度、エッチング
時間等）を適宜調整する。
酸化物導電層４０４ａ、４０４ｂの成膜方法は、スパッタリング法や真空蒸着法（電子ビ
ーム蒸着法など）や、アーク放電イオンプレーティング法や、スプレー法を用いる。酸化
物導電層の材料としては、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、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物などを適用することができる。ま
た、上記材料に酸化珪素を含ませてもよい。
ソース領域及びドレイン領域として、酸化物導電層を酸化物半導体層１４４とソース電極
１４２ａ、ドレイン電極１４２ｂ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４４１、４４２が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４０４ａ、４０４ｂ、ソース電極１４２ａ、
ドレイン電極１４２ｂの構成とすることによって、トランジスタ４４１、４４２の耐圧を
向上させることができる。
次に、図１７に示すトランジスタ１６２の構造として、トップゲート構造を示したが、本
発明の一態様は、これに限定されず、ボトムゲート構造とすることができる。図２６にボ
トムゲート構造の例について示す。
図２６（Ａ）に示すトランジスタ４１０は、ゲート電極４０１上に、ゲート絶縁層４０２
が設けられ、ゲート絶縁層４０２上に酸化物半導体層４０３が設けられ、酸化物半導体層
４０３と接続されるソース電極４０５ａ、ドレイン電極４０５ｂが設けられている。なお
、ゲート電極４０１と、酸化物半導体層４０３と、ゲート絶縁層４０２と、ソース電極４
０５ａと、ドレイン電極４０５ｂは、図１７に示すゲート電極１４８ａと、酸化物半導体
層１４４と、ゲート絶縁層１４６と、ソース電極１４２ａと、ドレイン電極１４２ｂに相
当する。
図２６（Ｂ）に示すトランジスタ４２０は、ゲート電極４０１と、ゲート絶縁層４０２と
、酸化物半導体層４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂとが設けられ
ている点において図２６（Ａ）と同様である。図２６（Ａ）と異なる点は、酸化物半導体
層４０３に接して絶縁層４２７が設けられている点にある。
図２６（Ｃ）に示すトランジスタ４３０は、ゲート電極４０１と、ゲート絶縁層４０２と
、酸化物半導体層４０３と、ソース電極４０５ａと、ドレイン電極４０５ｂとが設けられ
ている点において図２６（Ａ）と同様である。図２６（Ａ）と異なる点は、酸化物半導体
層４０３に接するソース電極４０５ａとドレイン電極４０５ｂの位置である。つまり、図
２６（Ａ）に示すトランジスタ４１０は、酸化物半導体層４０３の上でソース電極４０５
ａとドレイン電極４０５ｂが接するのに対し、図２６（Ｃ）に示すトランジスタ４３０は
、酸化物半導体層４０３の下でソース電極４０５ａとドレイン電極４０５ｂが接している
。
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、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×
１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
である。また、酸化物半導体層１４４は水素や水等が低減され、酸素欠損が低減されるこ
とにより、キャリア密度が、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア密度（１×１０１
４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さい値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、よ
り好ましくは、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）をとる。そして、トランジスタ１６２
の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。
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）
上記実施の形態において、トランジスタの半導体層に用いることのできる酸化物半導体層
の一形態を、図２５を用いて説明する。
本実施の形態の酸化物半導体層は、第１の結晶性酸化物半導体層上に第１の結晶性酸化物
半導体層よりも厚い第２の結晶性酸化物半導体層を有する積層構造である。
絶縁層４００上に絶縁層４３７を形成する。本実施の形態では、絶縁層４３７として、Ｐ
ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の膜厚の酸化物
絶縁層を形成する。例えば、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、酸
化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜から選ばれた一
層またはこれらの積層を用いることができる。なお、絶縁層４００は、絶縁層１３６、絶
縁層１３８、絶縁層１４０などに相当する。
次に、絶縁層４３７上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜を形成する
。第１の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、そのスパッタリング法によ
る成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。
本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体用
ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、
基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度２５０℃、圧力０．４Ｐａ、直流
（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜
厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理
を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第１の加熱処理に
よって第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａを形成する（図２５（Ａ）参照）。
第１の加熱処理の温度にもよるが、成膜時における基板温度や第１の加熱処理によって、
膜表面から結晶化が起こり、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、ｃ軸配向した結晶
が得られる。第１の加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角
形をなす亜鉛と酸素からなるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層
形成され、これが膜厚方向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面
から内部、そして内部から底部と結晶成長が進行する。
第１の加熱処理によって、酸化物絶縁層である絶縁層４３７中の酸素を第１の結晶性酸化
物半導体層４５０ａとの界面またはその近傍（界面からプラスマイナス５ｎｍ）に拡散さ
せて、第１の結晶性酸化物半導体層の酸素欠損を低減する。従って、下地絶縁層として用
いられる絶縁層４３７は、膜中（バルク中）、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと絶
縁層４３７の界面、のいずれかには少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在するこ
とが好ましい。
次いで、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導
体膜を形成する。第２の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時
における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。成膜時における基板温度を２００
℃以上４００℃以下とすることにより、第１の結晶性酸化物半導体層の表面上に接して成
膜する酸化物半導体層にプリカーサの整列が起き、所謂、秩序性を持たせることができる
。
本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体用
ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、
基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度４００℃、圧力０．４Ｐａ、直流
（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜
厚２５ｎｍの第２の酸化物半導体膜を成膜する。
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは窒素と
酸素の混合雰囲気とし、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上
７５０℃以下とする。第２の加熱処理によって第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂを形
成する（図２５（Ｂ）参照）。第２の加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは
窒素と酸素の混合雰囲気下で行うことにより、第２の結晶性酸化物半導体層の高密度化及
び欠陥数の減少を図る。第２の加熱処理によって、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａ
を核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成長が進行して第２の結晶性酸化物半導体
層４５０ｂが形成される。
また、絶縁層４３７の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的
に行うことが好ましい。絶縁層４３７の形成から第２の加熱処理までの工程は、水素及び
水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に
制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−
５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。
次いで、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂか
らなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体積層からなる酸化物半導体層４５
３を形成する（図２５（Ｃ）参照）。図では、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと第
２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂの界面を点線で示し、酸化物半導体積層と説明してい
るが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまで分かりやすく説明するために図示
している。
酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体積層上に形成した後、当
該酸化物半導体積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、酸化物半導体積層のエッチングは、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。
また、上記作製方法により、得られる第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化
物半導体層は、ｃ軸配向を有していることを特徴の一つとしている。ただし、第１の結晶
性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、単結晶構造ではなく、非晶質構造
でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃｒｙｓｔａｌともいう）を含む酸化物を有する。なお、第１の結晶性酸化物半導体層
及び第２の結晶性酸化物半導体層は、一部に結晶粒界を有している。
なお、第１の結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、四元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料（
ＩＴＺＯとも表記する。）、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、Ｉｎ−Ｈｆ−
Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉ
ｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系
の材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｂ−
Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉ
ｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系
の材料、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属の酸化物である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系の材料や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、一元系
金属の酸化物であるＩｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｏ系の材料などがある
。また、上記の材料にＳｉＯ２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。
また、第１の結晶性酸化物半導体層上に第２の結晶性酸化物半導体層を形成する２層構造
に限定されず、第２の結晶性酸化物半導体層の形成後に第３の結晶性酸化物半導体層を形
成するための成膜と加熱処理のプロセスを繰り返し行って、３層以上の積層構造としても
よい。
上記作製方法で形成された酸化物半導体積層からなる酸化物半導体層４５３を、本明細書
に開示する半導体装置に適用できるトランジスタ（例えば、実施の形態１、及び実施の形
態２におけるトランジスタ１６２、トランジスタ４１０、トランジスタ４２０、トランジ
スタ４３０、トランジスタ４４１、トランジスタ４４２）に、適宜用いることができる。
また、酸化物半導体層４０３として本実施の形態の酸化物半導体積層を用いた実施の形態
２におけるトランジスタ１６２においては、酸化物半導体層の一方の面から他方の面に電
界が印加されることはなく、また、電流が酸化物半導体積層の厚さ方向（一方の面から他
方の面に流れる方向、具体的に図１７に示すトランジスタ１６２）では上下方向）に流れ
る構造ではない。電流は、主として、酸化物半導体積層の界面を流れるトランジスタ構造
であるため、トランジスタに光照射が行われ、またはＢＴストレスが与えられても、トラ
ンジスタ特性の劣化は抑制される、または低減される。
酸化物半導体層４５３のような第１の結晶性酸化物半導体層と第２の結晶性酸化物半導体
層の積層をトランジスタに用いることで、安定した電気的特性を有し、且つ、信頼性の高
いトランジスタを実現できる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、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、ＣＡ
ＡＣ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、Ｃ
ＡＡＣ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２７乃至図２９を用いて詳細に説明する。
なお、特に断りがない限り、図２７乃至図２９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。また、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。また、図２７において、丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二
重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
図２７（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２７（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２７（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２７（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
図２７（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２７（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２７（Ｂ）に示す構造をとりうる。
図２７（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
図２７（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２７（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２７（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２７（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
図２７（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２７（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２７（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
図２７（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図２７（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２７（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２７（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。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。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
にて近接する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にて近接する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。小グループ同士の結合に寄与するＯは４配位なので、Ｏの下方向にある近
接金属原子の数と、Ｏの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２８（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２８（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２８（
Ｃ）は、図２８（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２８（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２８（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２８
（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２８（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Ｚ
ｎ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−０．６
６７、−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２
７（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２８（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（Ｉｎ２ＳｎＺｎ３Ｏ８）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、Ｉｎ２ＳｎＺｎ２Ｏ７（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−Ｏ系の材料や
、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料（ＩＧＺＯとも表記する。）
、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、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−
Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材
料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ
−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−
Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材
料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ
−Ｏ系の材料や、二元系金属の酸化物である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系の材料や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、などを用いた場合も同様である。
例えば、図２９（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２９（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２９（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２９（Ｃ）は
、図２９（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２９（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、トランジスタの電界効果移動度に関して説明する。
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μ０、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、
と表現できる。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、Ｌｅｖｉｎｓ
ｏｎモデルでは、
と表される。ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル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に含まれるキャリア数、Ｃｏｘは単
位面積当たりの容量、Ｖｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さ３０ｎ
ｍ以下の半導体層であれば、チャネル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Ｉｄは、
である。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、Ｖｄはドレイン電圧である。
上式の両辺をＶｇで割り、更に両辺の対数を取ると、

となる。式（５）の右辺はＶｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉ
ｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇ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Ｉｄ―Ｖｇ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１×１０１２／ｃｍ２
程度である。
このようにして求めた欠陥密度等をもとに式（２）および式（３）よりμ０＝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４０ｃ
ｍ２／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μ０は１２０ｃｍ２／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μ１は、

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＝４．７５×１０７ｃｍ／
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）と式（６）の第２項が増加するため、移動度μ１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に用いたトランジスタの移動度
μ２を計算した結果を図３０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、ソース、ドレイン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Ｖｄは０
．１Ｖである。
図３０で示されるように、ゲート電圧１Ｖ強で移動度１００ｃｍ２／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（Ａｔ
ｏｍｉｃ 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３１乃至図３３に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構
造を図３４に示す。図３４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１１０３ａおよび半導体領域１１０３ｃを有する。半導体領域１１０３ａおよ
び半導体領域１１０３ｃの抵抗率は２×１０−３Ωｃｍとする。
図３４（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１１０１と、下地絶縁層１１０１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１１０２の上に形成
される。トランジスタは半導体領域１１０３ａ、半導体領域１１０３ｃ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１１０３ｂと、ゲート電極１１０５を有す
る。ゲート電極１１０５の幅を３３ｎｍとする。
ゲート電極１１０５と半導体領域１１０３ｂの間には、ゲート絶縁層１１０４を有し、ま
た、ゲート電極１１０５の両側面には側壁絶縁層１１０６ａおよび側壁絶縁層１１０６ｂ
、ゲート電極１１０５の上部には、ゲート電極１１０５と他の配線との短絡を防止するた
めの絶縁層１１０７を有する。側壁絶縁層の幅は５ｎｍとする。また、半導体領域１１０
３ａおよび半導体領域１１０３ｃに接して、ソース電極１１０８ａおよびドレイン電極１
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３４（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１１０１と、酸化アルミニウムよりなる
埋め込み絶縁物１１０２の上に形成され、半導体領域１１０３ａ、半導体領域１１０３ｃ
と、それらに挟まれた真性の半導体領域１１０３ｂと、幅３３ｎｍのゲート電極１１０５
とゲート絶縁層１１０４と側壁絶縁層１１０６ａおよび側壁絶縁層１１０６ｂと絶縁層１
１０７とソース電極１１０８ａおよびドレイン電極１１０８ｂを有する点で図３４（Ａ）
に示すトランジスタと同じである。
図３４（Ａ）に示すトランジスタと図３４（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、側壁絶
縁層１１０６ａおよび側壁絶縁層１１０６ｂの下の半導体領域の導電型である。図３４（
Ａ）に示すトランジスタでは、側壁絶縁層１１０６ａおよび側壁絶縁層１１０６ｂの下の
半導体領域はｎ＋の導電型を呈する半導体領域１１０３ａおよび半導体領域１１０３ｃで
あるが、図３４（Ｂ）に示すトランジスタでは、真性の半導体領域１１０３ｂである。す
なわち、図３４（Ｂ）に示す半導体層において、半導体領域１１０３ａ（半導体領域１１
０３ｃ）とゲート電極１１０５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、側壁絶縁層１１０６ａ（側壁絶縁層１１０６ｂ）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３１は、
図３４（Ａ）に示される構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉｄ、実線）および移動度
（μ、点線）のゲート電圧（Ｖｇ、ゲートとソースの電位差）依存性を示す。ドレイン電
流Ｉｄ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３１（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図３１（Ｂ）は１０ｎ
ｍとしたものであり、図３１（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。ゲート絶縁膜が薄くなる
ほど、特にオフ状態でのドレイン電流Ｉｄ（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Ｉｄ（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素子等で必要とされる１０μＡを超えること
が示された。
図３２は、図３４（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎ
ｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖｇ依存
性を示す。ドレイン電流Ｉｄ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３２（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍと
したものであり、図３２（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図３２（Ｃ）は５ｎｍとし
たものである。
また、図３３は、図３４（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Ｉｄ（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Ｉｄ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３３（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎ
ｍとしたものであり、図３３（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図３３（Ｃ）は５ｎｍ
としたものである。
いずれもゲート絶縁膜が薄くなるほど、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３１では８０ｃｍ２／Ｖｓ程度であるが、図３２では６０
ｃｍ２／Ｖｓ程度、図３３では４０ｃｍ２／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Ｌ
ｏｆｆ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素子等で必要とされる１
０μＡを超えることが示された。
（実施の形態６）
本実施の形態では、酸化物半導体としてＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体を
用いたトランジスタについて説明する。
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３５（Ａ）乃至図３５（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
絶縁膜を用いたトランジスタの特性である。なお、Ｖｄは１０Ｖとした。
図３５（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
度のピークは１８．８ｃｍ２／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３５（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、電界効果移動度の
ピークは３２．２ｃｍ２／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３５（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のピークは３４．５ｃ
ｍ２／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１０
０ｃｍ２／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３５（Ａ）と図３５（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、Ｖｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の測定
を行った。なお、Ｖｄｓ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、Ｖｄｓを０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁膜に印加される電界
強度が２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶｇに２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に
、Ｖｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖｄｓを１０Ｖとし、トランジスタの
Ｖｇ−Ｉｄ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、Ｖｄｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特
性の測定を行った。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖｄｓを０．１Ｖとした。次に、ゲ
ート絶縁膜に印加される電界強度が−２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶｇに−２０Ｖを印加し
、そのまま１時間保持した。次に、Ｖｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖｄ
ｓを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ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３６（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図３６（Ｂ
）に示す。また、試料２のプラスＢＴ試験の結果を図３７（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の
結果を図３７（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。このような雰囲気
中で熱処理を行うことにより、酸化物半導体膜中に酸素を過剰に含ませることができる。
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膜に加えることで、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。これによっても、酸化物半導体膜
中に酸素を過剰に含ませることができる。
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、
後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１×１０１６／ｃｍ３以上２×１０２０
／ｃｍ３以下のとすれば、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
ーンが観測される。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Ｉ
ｎ−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４０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〜３８ｄｅ
ｇ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４１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４１に示すように、基板温度が１２５℃の場合には１ａＡ／μｍ（１×１
０−１８Ａ／μｍ）以下、８５℃の場合には１００ｚＡ／μｍ（１×１０−１９Ａ／μｍ
）以下、室温（２７℃）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、１２５℃において０．１ａＡ／μｍ（１×１０−１９Ａ／μ
ｍ）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、Ｖｄｓ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３８に、Ｉｄ（実線）および電界効果移動度（点線）のＶｇ依存性を示す。また、図３
９（Ａ）に基板温度としきい値電圧の関係を、図３９（Ｂ）に基板温度と電界効果移動度
の関係を示す。
図３９（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３９（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３６ｃｍ２／Ｖｓ〜３２ｃｍ２／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３０ｃ
ｍ２／Ｖｓｅｃ以上、好ましくは４０ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上、より好ましくは６０ｃｍ２
／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。
＜トランジスタの例１＞
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４２
などを用いて説明する。
図４２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４２（Ａ）にトランジスタの上面図を示す。また、図４２（
Ｂ）に図４２（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを示す。
図４２（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１２００と、基板１２００上に設けられた下地
絶縁膜１２０２と、下地絶縁膜１２０２の周辺に設けられた保護絶縁膜１２０４と、下地
絶縁膜１２０２および保護絶縁膜１２０４上に設けられた高抵抗領域１２０６ａおよび低
抵抗領域１２０６ｂを有する酸化物半導体膜１２０６と、酸化物半導体膜１２０６上に設
けられたゲート絶縁膜１２０８と、ゲート絶縁膜１２０８を介して酸化物半導体膜１２０
６と重畳して設けられたゲート電極１２１０と、ゲート電極１２１０の側面と接して設け
られた側壁絶縁膜１２１２と、少なくとも低抵抗領域１２０６ｂと接して設けられた一対
の電極１２１４と、少なくとも酸化物半導体膜１２０６、ゲート電極１２１０および一対
の電極１２１４を覆って設けられた層間絶縁膜１２１６と、層間絶縁膜１２１６に設けら
れた開口部を介して少なくとも一対の電極１２１４の一方と接続して設けられた配線１２
１８と、を有する。
なお、図示しないが、層間絶縁膜１２１６および配線１２１８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１２１６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。
＜トランジスタの例２＞
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４３は、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４３（Ａ）はトラン
ジスタの上面図である。また、図４３（Ｂ）は図４３（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂに対応する
断面図である。
図４３（Ｂ）に示すトランジスタは、基板１６００と、基板１６００上に設けられた下地
絶縁膜１６０２と、下地絶縁膜１６０２上に設けられた酸化物半導体膜１６０６と、酸化
物半導体膜１６０６と接する一対の電極１６１４と、酸化物半導体膜１６０６および一対
の電極１６１４上に設けられたゲート絶縁膜１６０８と、ゲート絶縁膜１６０８を介して
酸化物半導体膜１６０６と重畳して設けられたゲート電極１６１０と、ゲート絶縁膜１６
０８およびゲート電極１６１０を覆って設けられた層間絶縁膜１６１６と、層間絶縁膜１
６１６に設けられた開口部を介して一対の電極１６１４と接続する配線１６１８と、層間
絶縁膜１６１６および配線１６１８を覆って設けられた保護膜１６２０と、を有する。
基板１６００としてはガラス基板を、下地絶縁膜１６０２としては酸化シリコン膜を、酸
化物半導体膜１６０６としてはＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を、一対の電極１６１４としては
タングステン膜を、ゲート絶縁膜１６０８としては酸化シリコン膜を、ゲート電極１６１
０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１６１６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１６１８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１６２０としてはポ
リイミド膜を、それぞれ用いた。
なお、図４３（Ａ）に示す構造のトランジスタにおいて、ゲート電極１６１０と一対の電
極１６１４との重畳する幅をＬｏｖと呼ぶ。同様に、酸化物半導体膜１６０６に対する一
対の電極１６１４のはみ出しをｄＷと呼ぶ。
（実施の形態７）
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２３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、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２３（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２３（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２３（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７２
３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７
２５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７
２１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２３（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２３（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７４
８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２３（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２３（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。
１２０ 半導体層
１２２ 絶縁層
１２２ａ ゲート絶縁層
１２４ マスク
１２６ 不純物領域
１２８ａ ゲート電極
１２８ｂ 導電層
１３０ 不純物領域
１３２ 不純物領域
１３４ チャネル形成領域
１３６ 絶縁層
１３８ 絶縁層
１４０ 絶縁層
１４２ａ ソース電極
１４２ｂ ドレイン電極
１４４ 酸化物半導体層
１４６ ゲート絶縁層
１４８ａ ゲート電極
１４８ｂ 導電層
１５０ 絶縁層
１５４ 配線
１５６ 絶縁層
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
２０１ メモリセルアレイ
２０２ 列駆動回路
２０３ 行駆動回路
２０４ コントローラ
２０５ Ｉ／Ｏ制御回路
２０６ カウンタ
２０７ 電位生成回路
２０８ バッファ
２２１ ビット線／ソース線駆動回路
２２３ａ アナログスイッチ
２２５ 回路
２３１ ゲート線／容量線駆動回路
２５０ 基板温度
３１４ トランジスタ
３２３ 負荷
３２４ センスアンプ
３２５ インバータ
３２６ クロックドインバータ
３２７ トランジスタ
３２８ トランジスタ
３２９ ラッチ回路
３４１ トランジスタ
３４２ トランジスタ
３４３ トランジスタ
３４４ トランジスタ
４００ 絶縁層
４０１ ゲート電極
４０２ ゲート絶縁層
４０３ 酸化物半導体層
４０４ａ 酸化物導電層
４０４ｂ 酸化物導電層
４０５ａ ソース電極
４０５ｂ ドレイン電極
４１０ トランジスタ
４２０ トランジスタ
４２７ 絶縁層
４３０ トランジスタ
４３７ 絶縁層
４４１ トランジスタ
４４２ トランジスタ
４５０ａ 結晶性酸化物半導体層
４５０ｂ 結晶性酸化物半導体層
４５３ 酸化物半導体層
５００ 半導体基板
５１０ 単結晶半導体基板
５１２ 酸化膜
５１４ 脆化領域
５１６ 単結晶半導体層
５１８ 単結晶半導体層
７０１ 筐体
７０２ 筐体
７０３ 表示部
７０４ キーボード
７１１ 本体
７１２ スタイラス
７１３ 表示部
７１４ 操作ボタン
７１５ 外部インターフェイス
７２０ 電子書籍
７２１ 筐体
７２３ 筐体
７２５ 表示部
７２７ 表示部
７３１ 電源
７３３ 操作キー
７３５ スピーカー
７３７ 軸部
７４０ 筐体
７４１ 筐体
７４２ 表示パネル
７４３ スピーカー
７４４ マイクロフォン
７４５ 操作キー
７４６ ポインティングデバイス
７４７ カメラ用レンズ
７４８ 外部接続端子
７４９ 太陽電池セル
７５０ 外部メモリスロット
７６１ 本体
７６３ 接眼部
７６４ 操作スイッチ
７６５ 表示部
７６６ バッテリー
７６７ 表示部
７７０ テレビジョン装置
７７１ 筐体
７７３ 表示部
７７５ スタンド
７８０ リモコン操作機
１１０１ 下地絶縁層
１１０２ 埋め込み絶縁物
１１０３ａ 半導体領域
１１０３ｂ 半導体領域
１１０３ｃ 半導体領域
１１０４ ゲート絶縁層
１１０５ ゲート電極
１１０６ａ 側壁絶縁層
１１０６ｂ 側壁絶縁層
１１０７ 絶縁層
１１０８ａ ソース電極
１１０８ｂ ドレイン電極
１２００ 基板
１２０２ 下地絶縁膜
１２０４ 保護絶縁膜
１２０６ 酸化物半導体膜
１２０８ ゲート絶縁膜
１２１０ ゲート電極
１２１２ 側壁絶縁膜
１２１４ 電極
１２１６ 層間絶縁膜
１２１８ 配線
１６００ 基板
１６０２ 下地絶縁膜
１６０６ 酸化物半導体膜
１６０８ ゲート絶縁膜
１６１０ ゲート電極
１６１４ 電極
１６１６ 層間絶縁膜
１６１８ 配線
１６２０ 保護膜

Claims (2)

  1. メモリセルと、読み出し回路と、を有し、
    前記メモリセルは、
    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、及び第１のチャネル形成領域を含む第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、及び第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のソース電極又は前記第１のドレイン電極の一方は、前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の他方は、前記容量素子の第１の電極と電気的に接続され、
    前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の他方は、前記第１のゲート電極と電気的に接続され、
    前記第１のチャネル形成領域は、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み、
    前記読み出し回路は、負荷と、クロックドインバータと、第３のトランジスタと、を有し、
    前記第３のトランジスタは、第３のゲート電極、第３のソース電極、第３のドレイン電極、及び第３のチャネル形成領域を含み、
    前記クロックドインバータの入力端子は、前記第１のソース電極又は前記第１のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記クロックドインバータの入力端子は、前記負荷と電気的に接続され、
    前記クロックドインバータの出力端子は、前記第３のソース電極又は前記第３のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記第３のソース電極又は前記第３のドレイン電極の他方は、電源電位と電気的に接続され、
    前記容量素子の第２の電極の電位が変動する毎に、前記第３のゲート電極に、前記第３のトランジスタを非導通とする電位が入力され、
    前記負荷は、第３のトランジスタ、抵抗、又はゲート電極とソース電極又はドレイン電極の一方とが電気的に接続された第４のトランジスタである、半導体装置。
  2. メモリセルと、読み出し回路と、を有し、
    前記メモリセルは、
    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、及び第１のチャネル形成領域を含む第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、及び第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のソース電極又は前記第１のドレイン電極の一方は、前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の他方は、前記容量素子の第１の電極と電気的に接続され、
    前記第２のソース電極又は前記第２のドレイン電極の他方は、前記第１のゲート電極と電気的に接続され、
    前記第１のチャネル形成領域は、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み、
    前記読み出し回路は、負荷と、アナログスイッチと、クロックドインバータと、第３のトランジスタと、を有し、
    前記第３のトランジスタは、第３のゲート電極、第３のソース電極、第３のドレイン電極、及び第３のチャネル形成領域を含み、
    前記クロックドインバータの入力端子は、前記アナログスイッチを介して、前記第１のソース電極又は前記第１のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記負荷は、前記アナログスイッチを介して、前記第１のソース電極又は前記第１のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記クロックドインバータの出力端子は、前記第３のソース電極又は前記第３のドレイン電極の一方と電気的に接続され、
    前記第３のソース電極又は前記第３のドレイン電極の他方は、電源電位と電気的に接続され、
    前記容量素子の第２の電極の電位が変動する毎に、前記第３のゲート電極に、前記第３のトランジスタを非導通とする電位が入力され、
    前記負荷は、第３のトランジスタ、抵抗、又はゲート電極とソース電極又はドレイン電極の一方とが電気的に接続された第４のトランジスタである、半導体装置。
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