JP6114444B2 - 記憶装置 - Google Patents

Description

開示する発明は、半導体素子を利用した記憶装置に関するものである。

半導体素子を利用した記憶装置は、電力の供給が遮断されると記憶内容が失われる揮発性
の記憶装置と、電力の供給が遮断されても記憶内容が保持される不揮発性の記憶装置とに
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
して容量素子に電荷を蓄積することで、情報を記憶する。そのためＤＲＡＭでは、情報を
読み出すと容量素子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と変わらない。

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寿命の問題
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するため、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。よって、消費電力が大
きいという問題がある。さらに、電荷の注入、または除去には、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、新たな構造の記憶装置を提供するこ
とを課題の一とする。

開示する発明の一態様では、新たな構造により、記憶素子を構成するトランジスタをオン
することなく、記憶したデータを高速で読み出すことができ、また、記憶装置の簡略化を
図り、単位面積あたりの記憶容量を増加させることを課題の一とする。

本発明の一態様は、メモリセルに用いるトランジスタに、オフ電流を十分に小さくするこ
とができる半導体材料、例えば、ワイドギャップ半導体材料（酸化物半導体材料など）を
チャネル領域として有するトランジスタを用いることを特徴とし、該トランジスタ及び保
持容量素子を有するメモリセルと、容量素子と、を電気的に接続させてノードを構成し、
該ノードは保持容量素子を介した容量結合により保持データに応じて昇圧され、この電位
を増幅回路によって読み出すことで、データの識別を行うことを要旨とする。また、該ノ
ードは電気的にフローティング状態である。

本発明の一態様は、メモリセルに用いるトランジスタに、オフ電流を十分に小さくするこ
とができる半導体材料、例えば、ワイドギャップ半導体材料（酸化物半導体材料など）を
チャネル領域として有するトランジスタを用いることを特徴とし、複数のメモリセルをワ
ード線に並列に接続し、それぞれのメモリセルにおける保持容量素子と、容量素子を接続
してノードを構成し、また、複数の保持容量素子における容量値がそれぞれ異なることに
より、該ノードの電位を読み出すことで、一括して複数のメモリセルのデータを読み出す
ことができることを特徴とする。

本発明の一態様は、該ノードの電位を、メモリセルのデータ状態へ変換するための参照回
路が、該メモリセルと同じ回路構成からなることを特徴とする。

本発明の一態様は、１つのブロックにおけるメモリセル数を適宜設定し、そのブロックを
多数並べる構成とすることで、少ない素子数で一括してデータが読み出せることを特徴と
する。

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、容量素子、その他の各種機能を有する
素子などが含まれる。

本発明の一態様に係る記憶装置は、ワイドギャップ半導体材料（特に酸化物半導体）を用
いたトランジスタのオフ電流が十分に小さいため、保持容量素子に与えた電荷を長期にわ
たって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、トラン
ジスタのオンオフの切り替えではなく、ノードの電位を測ることにより情報の読み出しが
できるため、高速な動作ができる。

このように、本発明の一態様は、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く、新たな構造の記憶装置を提供することができる。さ
らに、記憶素子を構成するトランジスタをオンすることなく、記憶したデータを高速で読
み出すことができ、また、記憶装置の簡略化を図り、単位面積あたりの記憶容量を増加さ
せることもできる。

記憶装置の回路図。 記憶装置の回路図。 記憶装置の作製工程に係る断面図。 記憶装置を用いた電子機器を説明するための図。 記憶装置の回路図。 記憶装置の回路図。 酸化物半導体の一例。 酸化物半導体の一例。 酸化物半導体の一例。 移動度算出のための式。 ゲート電圧と電界効果移動度の関係。 ゲート電圧とドレイン電流の関係。 ゲート電圧とドレイン電流の関係。 ゲート電圧とドレイン電流の関係。 トランジスタの特性。 トランジスタの特性。 トランジスタの特性。 トランジスタのオフ電流の温度依存性。

開示する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、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。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混
同を避けるために付すものであり、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、開示する発明の一態様に係る記憶装置の回路構成および動作について
、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。

はじめに、基本的な回路構成およびその動作について、図１（Ａ）を参照して説明する。
図１（Ａ）に示す記憶装置において、ワード線（Ｗｏｒｄ Ｌｉｎｅ：ＷＬ）とトランジ
スタ００１のゲート電極とは、電気的に接続され、ビット線（Ｂｉｔ Ｌｉｎｅ：ＢＬ）
とトランジスタ００１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、保持
容量素子００２の一方の端子とトランジスタ００１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。さらに、該保持容量素子００２の他方の端子と容量素子０
０３の一方の端子とは、電気的に接続されてノード００４を構成している。該ノード００
４と増幅回路００５とは、電気的に接続されている。

ここで、トランジスタ００１には、例えば、ワイドギャップ半導体材料である酸化物半導
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００１をオフ状態とす
ることで、トランジスタ００１のドレイン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。さらに、保持容量素子００２を有することにより、トランジスタ００
１のドレイン電極に与えられた電荷の保持が容易になる。

図１（Ａ）に示す回路構成において、データの書込み及び保持は、トランジスタ００１及
び保持容量素子００２によって行われる。この部分をメモリセル１００と呼ぶことにする
。データの読出しは、保持容量素子００２と、容量素子００３とで接続されたノード００
４における電位（Ｖ_Ｎ）を測定することにより行われる。なお、ノード００４は電気的に
フローティング状態である。電位を測定する増幅回路００５として、例えば図１（Ｂ）に
示すようなソースフォロア（ＳＦ）回路を用いることができる。ソースフォロア回路は、
第１のトランジスタ及び第２のトランジスタが並列に接続される回路である。第１のトラ
ンジスタのゲートには、入力端子（ＩＮ）が接続され、第１の電極はＶＤＤと接続され、
第２の電極は、第２のトランジスタの第１の電極と接続される。また、第２のトランジス
タのゲートには、ＶＳＦが接続され、第２の電極はＧＮＤと接続される。第１のトランジ
スタの第２の電極及び第２のトランジスタの第１の電極の接続部に、出力端子（ＯＵＴ）
が接続される。ソースフォロア回路の入力端子（ＩＮ）に入力された電位と同じ電位が、
出力端子（ＯＵＴ）から出力される。なお、ソースフォロア回路に限らず、他の増幅回路
を用いても良い。

本実施の形態における、情報の書き込みおよび保持について説明する。まずワード線の電
位を、トランジスタ００１がオン状態となる電位にして、トランジスタ００１をオン状態
とする。これによりビット線の電位Ｖ１が、トランジスタ００１のドレイン電極、および
保持容量素子００２に与えられる。すなわち、保持容量素子００２には、所定の電荷が与
えられる（書き込み）。その後、ワード線の電位を、トランジスタ００１がオフ状態とな
る電位にして、トランジスタ００１をオフ状態とすることにより、保持容量素子００２に
与えられた電荷が保持される（保持）。

メモリセル１００に電位Ｖ１が書込まれているとき、保持容量素子００２の容量をＣ１と
し、容量素子００３の容量をＣ０とすると、ノード００４の電位Ｖ_Ｎは数式（１）で表す
ことができる。

数式（１）に示すように、ノード００４の電位Ｖ_Ｎは、書き込み電位、つまりビット線に
与えられる電位Ｖ１に比例しているため、Ｖ_Ｎはメモリセルのデータ状態と一対一で対応
する。したがって、Ｖ_Ｎを測定することにより、保持されたデータを識別できる（読み出
し）。例えば、Ｖ１＝Ｖまたは０（Ｖ＞０）の２値の場合を考えると、Ｖ_Ｎによるデータ
判定しきい値をＣ１×Ｖ／（Ｃ１＋Ｃ０）と０の中間にすることにより、Ｖ_Ｎが前者の値
の場合はメモリセルのデータ状態は”１”（Ｖ１＝Ｖ）、後者の値の場合は”０”（Ｖ１
＝０）と識別できる。Ｖ１が２値以上をとる場合にも拡張することは容易である。

本実施の形態により、メモリセル１００のデータ状態の識別を、トランジスタ００１のオ
ン動作をすることなく行えるようになる。それによって、トランジスタ００１のオフ電流
が非常に小さいという性質を最大限に活かすことができ、半永久的なデータ保持（つまり
不揮発性）が実現できる。さらに、データの読み出しにおいて、トランジスタ００１の駆
動を行う必要が無いため、非常に速いデータ読み出しが可能となる。

次に、データの書き換えについて説明する。データの書き換えは、データの書き込みおよ
び保持と同様に行われる。つまり、ワード線の電位を、トランジスタ００１がオン状態と
なる電位にして、トランジスタ００１をオン状態とする。これにより、ビット線の電位（
新たなデータに係る電位）が、トランジスタ００１のドレイン電極および保持容量素子０
０２に与えられる。その後、ワード線の電位を、トランジスタ００１がオフ状態となる電
位にして、トランジスタ００１をオフ状態とすることにより、保持容量素子００２は新た
なデータ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記憶装置は、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、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（トンネル絶縁層
ともいう）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。

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って、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。

（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記憶装置において、図２に示すように、
データの書込みおよび保持を行う酸化物半導体を用いたトランジスタ２０１と、保持容量
素子Ｃｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）で構成されるメモリセル２００が、ｍ個（ｍは自然数）
並列して構成されている回路構成及び書込・読出し動作について説明する。ノード２０４
は、保持容量素子Ｃｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）及び容量素子Ｃｎが接続された部分であり
、ｍ個のメモリセルに対して共通である。また、ノード２０４及び増幅回路２０５は、電
気的に接続されている。

本実施の形態における、ｍ個のメモリセルに保持されたデータの読出しは、該ノードの電
位Ｖ_Ｎを測定することにより行うことができる。例えばｍ個のメモリセルに対し、それぞ
れ電位Ｖｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）が書込まれている場合、Ｖ_Ｎは、数式（２）により計
算される。

なお、Ｃｔｏｔａｌ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋…Ｃｍ）である。このようにして求めたＶ_Ｎの値と
、ｍ個のメモリセルのデータ状態を一対一で対応させることで、Ｖ_Ｎを測定することによ
りｍ個のメモリセルのデータ状態が一度に読み出せることになる。この一対一の対応は以
下のように行うことができる。

ここでは、簡単のため、Ｖｉ＝Ｖ又は０（Ｖ＞０）の２値の場合について説明する。メモ
リセルに電位Ｖが書込まれている状態を”１”状態とし、メモリセルに電位０が書き込ま
れている状態を”０”状態と呼ぶことにする。ｍ個のメモリセル全ての書き込み状態の組
み合わせを（０…０００）、（０…００１）、（０…０１０）、（０…０１１）、…、（
１…１１１）とすると、そのときのノードの電位Ｖ_Ｎが、数式（３）の不等式が成り立つ
ように、保持容量素子Ｃｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）の容量の大きさを設定すれば良い。

具体的にｍが３の場合について、以下に説明する。まず、３個のメモリセルの書き込み状
態の組み合わせは、（０００）、（００１）、（０１０）、（０１１）、（１００）、（
１０１）、（１１０）、（１１１）と表すことができる。また、ノード電位Ｖ_Ｎもそれぞ
れＶ_Ｎ（０００）は０、Ｖ_Ｎ（００１）はＣ１に比例、Ｖ_Ｎ（０１０）はＣ２に比例、Ｖ
_Ｎ（０１１）はＣ２＋Ｃ１に比例、Ｖ_Ｎ（１００）はＣ３に比例、Ｖ_Ｎ（１０１）はＣ３
＋Ｃ１に比例、Ｖ_Ｎ（１１０）はＣ３＋Ｃ２に比例、Ｖ_Ｎ（１１１）はＣ３＋Ｃ２＋Ｃ１
に比例する。ただし、比例係数は共通で、１／（Ｃｔｏｔａｌ＋Ｃｎ）である。これらの
値が、数式（３）に示した不等式を満たすように、容量値Ｃ１、Ｃ２及びＣ３の大きさを
設定することにより、３つのメモリセルのデータ状態とＶ_Ｎの値を一対一で対応させるこ
とができる。例えば、Ｃ１＝２^０・Ｃ＊、Ｃ２＝２^１・Ｃ＊、Ｃ３＝２^２・Ｃ＊のように
容量の比が２進数になるようにすれば良い。ただし、Ｃ＊は比例係数である。

このように、本発明の一態様は、複数のメモリセルにおいて、それぞれの保持容量素子の
容量値が異なるため、一括して複数のメモリセルのデータを読み出すことができ、さらに
、１つのブロックにおけるメモリセル数を適宜設定し、そのブロックを多数並べる構成と
することで、少ない素子数で一括してデータを読み出すことができる。そのため、回路構
成を簡略化することができ、単位面積あたりの記憶容量を増加させることができる。また
、Ｖｉが２値以上をとる場合にも拡張することは容易である。

次に、測定したＶ_Ｎの値からｍ個のメモリセルのデータ状態へ変換する方法を説明する。
その方法として、Ｖ_Ｎのとり得る全ての値とデータ状態の対応表をあらかじめ用意し、記
憶させておくことがある。ただし、この方法では、Ｖｉが２^ｘ値をとる場合、２^ｘ・ｍ個
の対応関係をラッチしておく必要がある。また、他の方法として、記憶装置に、図２と同
様の回路を参照回路として設け、Ｖ_Ｎからデータ状態への変換に当該参照回路を用いるこ
とでも可能となる（図５参照。）。図５は、記憶装置３００及び参照回路４００が、差動
増幅回路２１０を挟んで接続されている回路を示している。Ｖ_Ｎの値と参照回路からの出
力Ｖ_Ｎ＿ＲＥＦの値の大小関係を、差動増幅回路２１０を用いて比較し、そのたびに参照
回路におけるデータ状態を二分法により更新する。その結果、ｘ×ｍ回の比較後に、参照
回路に保持されているデータ状態がｍ個のメモリセルにおける所望のデータ状態に一致す
る。すなわち参照回路はセンスラッチの役目も果たす。次に、参照回路のワード線（ＷＬ
＿ＲＥＦ）に適切な電圧を印加してトランジスタを全てオン状態とすれば、データを外部
に出力できる。このように、本発明の一態様は、ノードの電位のとり得る全ての値とデー
タ状態の対応表を、あらかじめ用意しておく必要が無く、またそのための回路も不要とな
る。

（実施の形態３）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る記憶装置において、図２に示した回路を
一つのブロックとする回路構成および動作について説明する（図６参照。）。図６に示す
回路は、ワード線ＷＬ及びＷＬ＿ＲＥＦ、書き込み選択ゲートＳＧ＿Ｗｊ（ｊ＝１，２，
…，ｋ：ｋは自然数）、読み出し選択ゲートＳＧ＿Ｒｊ（ｊ＝１，２，…，ｋ：ｋは自然
数）、ビット線ＢＬｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ：ｍは自然数）及びＢＬ＿ＲＥＦｉ（ｉ＝１
，２，…，ｍ：ｍは自然数）、差動増幅回路５１０、ｍ個のメモリセルをまとめたブロッ
クＢｊ（ｊ＝１，２，…，ｋ：ｋは自然数）、各ブロックに接続された書き込み・読み出
し用選択トランジスタ及び参照回路５００により構成されている。ブロックＢｊが並列に
ワード線に接続されており、さらに、差動増幅回路５１０を挟んで参照回路５００と接続
されている。１ブロックに含まれるメモリセル数ｍが増大すると、その分様々な容量をも
つキャパシタを作製する必要があり、プロセスが煩雑になる。そこで１ブロック当たりの
メモリセル数を適切な数に抑え（例えば、ｍ＝８程度）、このブロックＢｊを多数並べる
構成をとる。書込み・読出しは選択したブロックＢｊ毎に行う。上記構成により、メモリ
セルの数が増大しても、書き込み時のワード線に接続されるメモリセルの数を小さく抑え
ることができる。よって、ワード線の有する寄生容量と寄生抵抗を小さくすることができ
るため、ワード線に入力された信号のパルスが遅延する、或いは、ワード線の電位降下が
大きくなるのを防ぎ、延いては記憶装置のエラー発生率を低く抑えることができる。さら
に、電位Ｖ_Ｎのデータ状態への変換に用いる参照回路は一つで済む。

（実施の形態４）
次に、図１に示したメモリセル１００の作製方法の一例について、図３を参照して説明す
る。

まず、絶縁膜６４０の上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を加工して、酸
化物半導体膜６４４を形成する（図３（Ａ）参照。）。

絶縁膜６４０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。絶縁膜６４０は、上述
の材料を用いて単層構造または積層構造で形成することができる。ここでは、絶縁膜６４
０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、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）とを
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、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）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、
アルミニウム（Ａｌ）、又はランタノイドから選ばれた一種又は複数種を有することが好
ましい。

ランタノイドとして、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）がある。

例えば、一元系金属の酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛等を用
いることができる。

また、例えば、二元系金属の酸化物半導体として、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系酸化物等を用いることができる。

また、例えば、三元系金属の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯ
とも表記する）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚ
ｎ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、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物等を用いることができる。

また、例えば、四元系金属の酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−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系酸化物等を
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Ｇ
ａとＺｎ以外の金属元素を含有させても良い。

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）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の
酸化物を用いても良い。

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。

酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。

非単結晶の場合、非晶質でも、多結晶でもよい。また、非晶質中に結晶性を有する部分を
含む構造でもよい。なお、アモルファスは欠陥が多いため、非アモルファスが好ましい。

酸化物半導体膜は、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。酸化物半導体膜は、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。

ここでは、酸化物半導体膜を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ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、ターゲットの材料及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
半導体膜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、酸化物半導体膜への水素、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、酸化物半導体膜は、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℃以上５００
℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃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膜を
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膜に含まれる水素、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、酸化物半導体膜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膜に取り込ま
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、酸化物半導体膜の成膜を
行うことにより、酸化物半導体膜に含まれる水素、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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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。

また、酸化物半導体膜を加工することによって、酸化物半導体膜６４４を形成する。酸化
物半導体膜の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体膜上に形成した後、当該酸化物
半導体膜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、酸化物半導体膜のエッチングは、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、酸化物半導体膜６４４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、酸化物半導体膜６４４中に含まれる水素原子を含む物質をさらに
除去し、酸化物半導体膜６４４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、酸化物半導体膜６４４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。

熱処理を行うことによって不純物を低減し、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近
い酸化物半導体膜を形成することで、極めて優れた特性のトランジスタを実現することが
できる。

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
体膜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
良い。

なお、酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれ
ていても問題がなく、ナトリウム（Ｎａ）のようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価な
ソーダ石灰ガラスも使えると指摘されている（神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物
半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐ
ｐ．６２１−６３３）。しかし、このような指摘は適切でない。アルカリ金属は酸化物半
導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を
構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちＮａは、
酸化物半導体膜に接する絶縁膜が酸化物である場合、当該絶縁膜中に拡散してナトリウム
イオン（Ｎａ^＋）となる。また、Ｎａ^＋は、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を
構成する金属と酸素の結合を分断する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例え
ば、閾値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、移動度の低下等の
、トランジスタの特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。この不純物に
よりもたらされるトランジスタの特性の劣化と、特性のばらつきは、酸化物半導体膜中の
水素の濃度が十分に低い場合において顕著に現れる。従って、酸化物半導体膜中の水素の
濃度が５×１０^１９／ｃｍ^３以下、特に５×１０^１８／ｃｍ^３以下である場合には、上記
不純物の濃度を低減することが望ましい。具体的に、二次イオン質量分析法によるＮａ濃
度の測定値は、５×１０^１６／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１６／ｃｍ^３以下、更に
好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とするとよい。同様に、Ｌｉ濃度の測定値は、５×
１０^１５／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とするとよい。同様に、Ｋ
濃度の測定値は、５×１０^１５／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下とす
るとよい。

また、酸化物半導体膜６４４を用いて形成されるトランジスタがノーマリオン（ゲート電
極に電圧を印加しない状態でもドレイン電流が流れてしまう状態）となってしまうことを
防ぐために、酸化物半導体膜６４４を挟んでゲート電極と対向する側に、第２のゲート電
極を設け、これによってしきい値電圧を制御するようにしても良い。

なお、酸化物半導体膜６４４は非晶質であっても良いが、トランジスタのチャネル形成領
域として結晶性を有する酸化物半導体膜を用いることが好ましい。結晶性を有する酸化物
半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性（ゲート・バイアス・ストレス耐性）を
高めることができるからである。

結晶性を有する酸化物半導体膜としては、理想的には単結晶であることが望ましいが、ｃ
軸配向を有した結晶（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ：ＣＡＡＣとも呼
ぶ）を含む酸化物であるものが好ましい。

ＣＡＡＣを含む酸化物半導体膜は、スパッタリング法などによって作製することができる
。スパッタリング法によってＣＡＡＣを含む酸化物半導体膜を作製するには、酸化物半導
体膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種
として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、ターゲットと基板
の距離を広くとり（例えば、１５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度）、基板加熱温度を１００℃〜
５００℃、好適には２００℃〜４００℃、さらに好適には２５０℃〜３００℃にする。ま
た、これに加えて、堆積時の基板加熱温度よりも高い温度で、堆積された酸化物半導体膜
を熱処理することで膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することがで
きる。

次に、酸化物半導体膜６４４などの上に、ソース電極及びドレイン電極（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
ース電極またはドレイン電極６４２ａ、６４２ｂを形成する（図３（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
るソース電極またはドレイン電極６４２ａ、６４２ｂ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（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２）、酸化インジウム酸化亜鉛（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またはドレイン電極６４２ａ、６４２ｂ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。ソース電極またはドレイン電極６４２ａ
、６４２ｂ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６４６の被覆性を向上し、段切れを防止することができる。

トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極及びドレイン電極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（Ｅｘ
ｔｒｅｍｅ 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、記憶装置の消費電力を低減するこ
とも可能である。

次に、ソース電極またはドレイン電極６４２ａ、６４２ｂを覆い、かつ、酸化物半導体膜
６４４の一部と接するように、ゲート絶縁層６４６を形成する（図３（Ｃ）参照。）。

ゲート絶縁層６４６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６４６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６４６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、記憶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６４６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６４６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、酸化物半導体膜６４４に接する絶縁層は、第１３族元素及び酸素を含む絶縁材料と
してもよい。酸化物半導体には第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膜に接する絶縁層に用いること
で、酸化物半導体膜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膜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膜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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜への水の
侵入防止という点においても好ましい。

また、酸化物半導体膜６４４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、酸化物半導体膜６４４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、酸化物半導体膜６４４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、酸化物半導体膜６４４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膜が接することによ
り、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体膜に供給され、酸化物半導体膜中、または酸化
物半導体膜と絶縁層の界面における酸素不足欠陥を低減し、酸化物半導体膜をｉ型化また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。

なお、化学量論比より酸素が多い領域を有する絶縁層は、ゲート絶縁層６４６に代えて、
酸化物半導体膜６４４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６
４６及び下地絶縁層の双方に適用しても良い。

ゲート絶縁層６４６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６４６が酸素を含む場合、酸化物半導体膜６４４
に酸素を供給し、該酸化物半導体膜６４４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膜を形成することもできる。

なお、ここでは、ゲート絶縁層６４６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
半導体膜６４４を、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６４８ａ及び導電膜６４８ｂを形成する（図
３（Ｄ）参照。）。

ゲート電極６４８ａ及び導電膜６４８ｂ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６４８ａ及び導電膜６４８
ｂは、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。

以上により、高純度化された酸化物半導体膜６４４を用いたトランジスタ６６２、及び容
量素子６６４が完成する（図３（Ｄ）参照。）。

このように高純度化され、真性化された酸化物半導体膜６４４を用いることで、当該トラ
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記憶装置が得ら
れる。

（実施の形態５）
結晶性部分と非結晶性部分とを有し、結晶性部分の配向がｃ軸配向に揃っているＣＡＡＣ
（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を含む酸化物半導体について説明す
る。

ＣＡＡＣを含む酸化物半導体は新規な酸化物半導体である。

ＣＡＡＣ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する。

そして、ＣＡＡＣを含む酸化物半導体は、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いる。

さらに、ＣＡＡＣは、ａｂ面においてａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転
している）。

ＣＡＡＣとは、広義には、非単結晶である。

そして、ＣＡＡＣは、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する。

さらに、ＣＡＡＣを含む酸化物半導体は、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である。

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を含む酸化物半導体を構成する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。

若しくは、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、Ｃ
ＡＡＣ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を含む膜は、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。

例えば、膜状に形成されたＣＡＡＣを含む酸化物半導体を、膜表面または支持する基板面
に垂直な方向から電子顕微鏡で観察すると三角形または六角形の原子配列が認められる。

さらに、電子顕微鏡で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。

図７乃至図９を用いて、ＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例について説明する。

なお、図７乃至図９において、上方向がｃ軸方向であり、ｃ軸方向と直交する面がａｂ面
である。

本実施の形態において、上半分、下半分とは、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分を
いう。

図７（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Ａ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
。

構造Ａ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、構造Ａは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。構造Ａに示
す小グループは電荷が０である。

図７（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Ｂを示す。

３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。構造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、構造Ｂをとりうる。構造Ｂの小グループは電荷が０であ
る。

図７（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
Ｃを示す。

構造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。構造
Ｃの小グループは電荷が０である。

図７（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
Ｄを示す。

構造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。

構造Ｄの小グループは電荷が＋１となる。

図７（Ｅ）に、２個のＺｎを含む構造Ｅを示す。

構造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。構造
Ｅの小グループは電荷が−１となる。

本実施の形態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７（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７（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７（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。

この様に、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。

従って、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。

その理由を以下に示す。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）の上半分の４配位のＯ、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）の下半分の４配位
のＯまたは４配位の金属原子（Ｚｎ）の上半分の４配位のＯ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８（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループＡのモデル図を示
す。

図８（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループＢを示す。

なお、図８（Ｃ）は、図８（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
。

中グループＡでは、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみである。

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、中グループ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、中グループ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。

中グループ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と結合する。

そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合する。

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と結合する。

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する。

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、構造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、大グループＢ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。

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。

Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系以外の酸化物半導体を用いた場合も同様である。

例えば、図９（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループＬのモデ
ル図を示す。

中グループＬ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と結合する。

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と結合する。

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と結合する。

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９（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループＭを示す。

なお、図９（Ｃ）は、図９（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、中グループＬ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
。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態と組み合わせて実施するこ
とができる。

（実施の形態６）
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、図１０（Ａ）の式Ａで表される。

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、
図１０（Ｂ）の式Ｂで表される。

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、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、図１０（Ｃ）の式Ｃで表される。

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。

式Ｃの両辺をＶ_ｇで割り、更に両辺の対数を取ると、図１０（Ｄ）の式Ｄで表される。

式Ｄの右辺はＶ_ｇの関数である。

上式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉ_ｄ／Ｖ_ｇ）、横軸を１／Ｖ_ｇとする直線の傾きか
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、Ｉ
ｎ：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３５ｃｍ^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、図１０（Ｅ）の式Ｅで表される。

Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、Ｇは定数である。ＢおよびＧ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、Ｇ＝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Ｅ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に用いたトランジスタの移動度
μ_２の計算結果Ｅを図１１に示す。

なお、計算にはシノプシス社製のソフトであるＳｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用
した。

計算において、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Ｖ_ｄは０．１Ｖである。

計算結果Ｅ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（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。

なお、計算に用いたトランジスタは酸化物半導体膜において一対のｎ型半導体領域にチャ
ネル形成領域が挟まれたものを用いた。

一対のｎ型半導体領域の抵抗率は２×１０^−３Ωｃｍとして計算した。

また、チャネル長を３３ｎｍ、チャネル幅を４０ｎｍとして計算した。

また、ゲート電極の側面にサイドウォールを有する。

サイドウォールと重なる半導体領域をオフセット領域として計算した。

計算にはシノプシス社製のソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。

図１２は、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、ゲートとソースの電位差）依存性の計算結果である。

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１２（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとして計算したものである。

図１２（Ｂ）はゲート絶縁層の厚さを１０ｎｍと計算したものである。

図１２（Ｃ）はゲート絶縁層の厚さを５ｎｍと計算したものである。

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。

図１３は、オフセット長（サイドウォール長）Ｌ_ｏｆｆ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１３（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとして計算したものである。

図１３（Ｂ）はゲート絶縁層の厚さを１０ｎｍと計算したものである。

図１３（Ｃ）はゲート絶縁層の厚さを５ｎｍと計算したものである。

図１４は、オフセット長（サイドウォール長）Ｌ_ｏｆｆ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１４（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとして計算したものである。

図１４（Ｂ）はゲート絶縁層の厚さを１０ｎｍと計算したものである。

図１４（Ｃ）はゲート絶縁層の厚さを５ｎｍと計算したものである。

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１２では８０ｃｍ^２／Ｖｓ程度であるが、図１３では６０
ｃｍ^２／Ｖｓ程度、図１４では４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度と、オフセット長Ｌ_ｏｆｆ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１０
μＡを超えることが示された。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態と組み合わせて実施するこ
とができる。

（実施の形態７）
Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有する酸化物半導体（Ｉｎ―Ｓｎ―Ｚｎ―Ｏ）を用いたトランジス
タは、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、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎは組成比でそれぞれ５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれていると好まし
い。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有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、ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせることができる。

ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせることにより、ｎチャネ
ル型のトランジスタのオフ状態を維持するための電圧の絶対値を低くすることができ、低
消費電力化が可能となる。

さらに、ｎチャネル型のトランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせて、しきい値電
圧を０Ｖ以上にすれば、ノーマリーオフ型のトランジスタを形成することが可能となる。

以下Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含有する酸化物半導体を用いたトランジスタの特性を示す。

（サンプルＡ〜Ｃ共通条件）
組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、ガス流量比をＡｒ／
Ｏ_２＝６／９ｓｃｃｍ、成膜圧力を０．４Ｐａ、成膜電力１００Ｗとして、１５ｎｍの厚
さとなるように基板上に酸化物半導体膜を成膜した。

次に、酸化物半導体膜を島状になるようにエッチング加工した。

そして、酸化物半導体膜上に５０ｎｍの厚さとなるようにタングステン層を成膜し、これ
をエッチング加工してソース電極及びドレイン電極を形成した。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、シランガス（ＳｉＨ_４）と一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）を
用いて１００ｎｍの厚さとなるように酸化窒化珪素膜（ＳｉＯＮ）を形成してゲート絶縁
層とした。

次に、１５ｎｍの厚さとなるように窒化タンタルを形成し、１３５ｎｍの厚さとなるよう
にタングステンを形成し、これらをエッチング加工してゲート電極を形成した。

さらに、プラズマＣＶＤ法を用いて、３００ｎｍの厚さとなるように酸化窒化珪素膜（Ｓ
ｉＯＮ）を形成し、１．５μｍの厚さとなるようにポリイミド膜を形成し層間絶縁膜とし
た。

次に、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、５０ｎｍの厚さとなるように第１のチタ
ン膜を形成し、１００ｎｍの厚さとなるようにアルミニウム膜を形成し、５０ｎｍの厚さ
となるように第２のチタン膜を形成し、これらをエッチング加工して測定用のパッドを形
成した。

以上のようにしてトランジスタを有する半導体装置を形成した。

（サンプルＡ）
サンプルＡは酸化物半導体膜の成膜中に基板に意図的な加熱を施さなかった。

また、サンプルＡは酸化物半導体膜の成膜後であって、酸化物半導体膜のエッチング加工
前に加熱処理を施さなかった。

（サンプルＢ）
サンプルＢは基板を２００℃になるように加熱した状態で酸化物半導体膜の成膜を行った
。

また、サンプルＢは酸化物半導体膜の成膜後であって、酸化物半導体膜のエッチング加工
前に加熱処理を施さなかった。

基板を加熱した状態で成膜を行った理由は、酸化物半導体膜中でドナーとなる水素を追い
出すためである。

（サンプルＣ）
サンプルＣは基板を２００℃になるように加熱した状態で酸化物半導体膜の成膜を行った
。

さらに、サンプルＣは酸化物半導体膜の成膜後であって、酸化物半導体膜のエッチング加
工前に窒素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施した後、酸素雰囲気で６５０℃１時間
の加熱処理を施した。

窒素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施した理由は、酸化物半導体膜中でドナーとな
る水素を追い出すためである。

ここで、酸化物半導体膜中でドナーとなる水素を追い出すための加熱処理で酸素も離脱し
、酸化物半導体膜中でキャリアとなる酸素欠損も生じてしまう。

そこで、酸素雰囲気で６５０℃１時間の加熱処理を施すことにより、酸素欠損を低減する
効果を狙った。

（サンプルＡ〜Ｃのトランジスタの特性）
図１５（Ａ）にサンプルＡのトランジスタの初期特性を示す。

図１５（Ｂ）にサンプルＢのトランジスタの初期特性を示す。

図１５（Ｃ）にサンプルＣのトランジスタの初期特性を示す。

サンプルＡのトランジスタの電界効果移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

サンプルＢのトランジスタの電界効果移動度は３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

サンプルＣのトランジスタの電界効果移動度は３４．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃであった。

ここで、サンプルＡ〜Ｃと同様の成膜方法で形成した酸化物半導体膜の断面を透過型電子
顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢ及びサンプル
Ｃと同様の成膜方法で形成したサンプルには結晶性が確認された。

そして、驚くべきことに、成膜時に基板加熱を行ったサンプルは、結晶性部分と非結晶性
部分とを有し、結晶性部分の配向がｃ軸配向に揃っている結晶性であった。

通常の多結晶では結晶性部分の配向が揃っておらず、ばらばらの方向を向いているため、
成膜時に基板加熱を行ったサンプルは従来なかった新しい結晶構造であるといえる。

また、図１５（Ａ）〜（Ｃ）を比較すると、成膜時に基板加熱を行うこと、又は、成膜後
に加熱処理を行うことにより、ドナーとなる水素元素を追い出すことができるため、ｎチ
ャネル型トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトできることが理解できる。

即ち、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢのしきい値電圧は、成膜時に基板加熱を行っ
ていないサンプルＡのしきい値電圧よりもプラスシフトしている。

また、成膜時に基板加熱を行ったサンプルＢ及びサンプルＣを比較した場合、成膜後に加
熱処理を行ったサンプルＣの方が、成膜後に加熱処理を行っていないサンプルＢよりもプ
ラスシフトしていることがわかる。

また、水素のような軽元素は加熱処理の温度が高いほど離脱しやすいため、加熱処理の温
度が高いほど水素が離脱しやすい。

よって、成膜時又は成膜後の加熱処理の温度を更に高めればよりプラスシフトが可能であ
ると考察した。

（サンプルＢとサンプルＣのゲートＢＴストレス試験結果）
サンプルＢ（成膜後加熱処理なし）及びサンプルＣ（成膜後加熱処理あり）とに対してゲ
ートＢＴストレス試験を行った。

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
を行い、加熱及びプラスの高電圧印加を行う前のトランジスタの特性を測定した。

次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。

次に、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、基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行い
、加熱及びプラスの高電圧印加を行った後のトランジスタの特性を測定した。

以上のようにして、加熱及びプラスの高電圧印加を行う前後のトランジスタの特性を比較
することをプラスＢＴ試験と呼ぶ。

一方、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
測定を行い、加熱及びマイナスの高電圧印加を行う前のトランジスタの特性を測定した。

次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。

次に、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、基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行い
、加熱及びマイナスの高電圧印加を行った後のトランジスタの特性を測定した。

以上のようにして、加熱及びマイナスの高電圧印加を行う前後のトランジスタの特性を比
較することをマイナスＢＴ試験と呼ぶ。

図１６（Ａ）はサンプルＢのプラスＢＴ試験結果であり、図１６（Ｂ）はサンプルＢのマ
イナスＢＴ試験結果である。

図１７（Ａ）はサンプルＣのプラスＢＴ試験結果であり、図１７（Ｂ）はサンプルＣのマ
イナスＢＴ試験結果である。

プラスＢＴ試験及びマイナスＢＴ試験はトランジスタの劣化具合を判別する試験であるが
、図１６（Ａ）及び図１７（Ａ）を参照すると少なくともプラスＢＴ試験の処理を行うこ
とにより、しきい値電圧をプラスシフトさせることができることがわかった。

特に、図１６（Ａ）ではプラスＢＴ試験の処理を行うことにより、トランジスタがノーマ
リーオフ型になったことがわかる。

よって、トランジスタの作製時の加熱処理に加えて、プラスＢＴ試験の処理を行うことに
より、しきい値電圧のプラスシフト化を促進でき、ノーマリーオフ型のトランジスタを形
成することができることがわかった。

図１８はサンプルＡの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、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。

なお、図１８ではチャネル幅１μｍの場合における電流量を図示している。

基板温度が１２５℃（１０００／Ｔが約２．５１）のとき１×１０^−１９Ａ以下となって
いた。

基板温度が８５℃（１０００／Ｔが約２．７９）のとき１×１０^−２０Ａ以下となってい
た。

つまり、シリコン半導体を用いたトランジスタと比較して極めて低いオフ電流であること
がわかった。

なお、温度が低いほどオフ電流が低下するため、常温であればより低いオフ電流であるこ
とは明らかである。

本実施の形態の内容の一部又は全部は、他の全ての実施の形態と組み合わせて実施するこ
とができる。

（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様を用いた記憶装置の利用例について、図４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）、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
記憶装置を適用する場合について説明する。

図４（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記憶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４（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
す記憶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４（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７２
５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７２
１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記憶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４（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４（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記憶装置が設
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４（Ｅ）は、テレビジョン装置７７０であり、筐体７７１、表示部７７３、スタンド７
７５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記憶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記憶装置が搭載
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。

００１ トランジスタ
００２ 保持容量素子
００３ 容量素子
００４ ノード
００５ 増幅回路
１００ メモリセル
２００ メモリセル
２０１ トランジスタ
２０４ ノード
２０５ 増幅回路
２１０ 差動増幅回路
３００ 記憶装置
４００ 参照回路
５００ 参照回路
５１０ 差動増幅回路
６４０ 絶縁膜
６４２ａ ソース電極またはドレイン電極
６４２ｂ ソース電極またはドレイン電極
６４４ 酸化物半導体膜
６４６ ゲート絶縁層
６４８ａ ゲート電極
６４８ｂ 導電膜
６６２ トランジスタ
６６４ 容量素子
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
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

Claims (3)

1. ワード線と、
   ビット線と、
   トランジスタと第１の容量素子とを有するメモリセルと、
   第２の容量素子と、
   増幅回路と、を有し、
   前記トランジスタは、ゲート電極が前記ワードと電気的に接続され、ソース電極又はドレイン電極の一方が前記ビット線と電気的に接続され、
   前記トランジスタは、酸化物半導体を有し、
   前記第１の容量素子の一方の電極は、前記トランジスタの前記ソース電極又は前記ドレイン電極の他方と電気的に接続され、
   前記第１の容量素子の他方の電極は、前記第２の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
   前記第１の容量素子の他方の電極は、前記増幅回路と電気的に接続され、
   前記第２の容量素子の前記一方の電極の電位は、前記増幅回路を介して読み出され、
   前記メモリセルに電位Ｖ１が書込まれ、前記第１の容量素子の容量をＣ１、前記第２の容量素子の容量をＣ０とし、前記第２の容量素子の前記一方の電極の電位Ｖ_Ｎとするとき、以下の数式が成り立つことを特徴とする記憶装置。
   Ｖ_Ｎ＝Ｃ１×Ｖ１／（Ｃ１＋Ｃ０）
2. ワード線と、
   第１乃至第ｎのビット線と、
   第１乃至第ｎのトランジスタと第１乃至第ｎの容量素子とを有する第１乃至第ｎのメモリセルと、
   第ｎ＋１の容量素子と、
   増幅回路と、を有し、
   前記第１乃至前記第ｎの各トランジスタは、ゲート電極が前記ワード線と電気的に接続され、ソース電極又はドレイン電極の一方が前記第１乃至前記第ｎのビット線のいずれかと電気的に接続され、
   前記第１乃至前記第ｎの各トランジスタは、酸化物半導体を有し、
   前記第１乃至前記第ｎの容量素子の一方の電極は、前記第１乃至前記第ｎのトランジスタのいずれかの前記ソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続され、
   前記第１乃至前記第ｎの容量素子の他方の電極は、前記第ｎ＋１の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
   前記第１乃至前記第ｎの容量素子の他方の電極は、前記増幅回路と電気的に接続され、
   前記第ｎ＋１の容量素子の前記一方の電極の電位は、前記増幅回路を介して読み出され、
   前記第１乃至前記第ｎの各メモリセルに電位Ｖｉが書込まれ、前記第１乃至第ｎの容量素子の各容量をＣ１、Ｃ２・・・Ｃｎとし、前記ｎ＋１の容量素子の容量をＣｎ＋１とし、前記第ｎ＋１の容量素子の前記一方の電極の電位をＶ_Ｎとするとき、以下の数式が成り立つことを特徴とする記憶装置。
   Ｖ_Ｎ＝ΣＣｉ×Ｖｉ／（Ｃｔｏｔａｌ＋Ｃｎ）
   （Ｃｔｏｔａｌ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋・・・Ｃｎ）、ｉは１以上ｎ以下）
3. 請求項２において、
   前記第１乃至前記第ｎの容量素子は、それぞれ異なる容量値を有することを特徴とする記憶装置。