JP6845692B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、半導体装置、発光装置、表示装置、電子機器、照明装置、及びそれらの作製方法に関する。特に、本発明の一態様は、ＬＳＩ、ＣＰＵ、電源回路に搭載されるパワーデバイス、メモリ、サイリスタ、コンバータ、およびイメージセンサなどを含む半導体集積回路を部品として搭載した電子機器に関する。また、例えば、有機エレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、以下ＥＬとも記す）現象を利用した発光装置とその作製方法に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。電気光学装置、半導体回路および電子機器は半導体装置を有する場合がある。
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウェハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタ及びメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも動作が速く、多結晶シリコンを用いたトランジスタよりも製造が容易であるものの、電気的特性が変動しやすく信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してしまうことがある。
特開２０１２−２５７１８７号公報
本発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置の信頼性を向上することを目的とする。また、酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオンの特性になりやすく、駆動回路内に適切に動作する論理回路を設けることが難しいという問題がある。そこで、本発明の一態様は、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、ノーマリーオフの特性を得ることを目的とする。
また、信頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。または、非導通状態において極めてリーク電流が抑制されたトランジスタを提供することを課題の一とする。
または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、歩留まりの高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、占有面積の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。
または、集積度の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、動作速度の速い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、消費電力の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。
または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、第１のトランジスタと、第１のトランジスタ上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２のトランジスタと、第２のトランジスタ上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の容量素子と、を有し、第１の絶縁体は、酸素、及び水素に対してバリア性を有し、第２のトランジスタは、酸化物半導体を有し、第２の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、容量素子は、第１の電極、および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に誘電体を有し、誘電体は、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第３の絶縁体を有し、第２のトランジスタが設けられた領域の外縁において、第１の絶縁体と、第３の絶縁体とが接することにより、第２のトランジスタ、および第２の絶縁体は、第１の絶縁体、及び第３の絶縁体とに、包囲されている。
上記構成において、第１の絶縁体、および第３の絶縁体は、酸化アルミニウムである。
上記構成の半導体装置を複数個有し、ダイシング用の領域を有する半導体ウエハである。
本発明の一態様は、基板上に第１のトランジスタを形成し、第１のトランジスタ上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体上に、第１の導電体を形成し、第１の導電体上に、第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体上に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いて第３の絶縁体を形成し、第３の絶縁体上に、第４の絶縁体を形成し、第４の絶縁体上に、第１の酸化物半導体を形成し、第１の酸化物半導体上に、第２の導電体を形成し、第２の導電体を、島状に加工し、島状の第２の導電体をマスクとして、第１の酸化物半導体を、島状に加工し、島状の第２の導電体を加工することで、第３の導電体、および第４の導電体を形成し、第１の酸化物半導体、第３の導電体、および第４の導電体上に、第２の酸化物半導体を形成した後、加熱処理を行い、第２の酸化物半導体上に、第５の絶縁体を形成し、第５の絶縁体上に、島状の第５の導電体を形成することで、第２のトランジスタを形成し、第２のトランジスタ上に、第６の絶縁体を形成し、第６の絶縁体に、第２のトランジスタに達する開口を形成し、開口、および第６の絶縁体上に、第６の導電体を形成し、第６の導電体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有するバリア層を形成し、バリア層、および第６の絶縁体に対して、酸素プラズマ処理を行った後、バリア層、および第６の絶縁体上に、酸素、及び水素に対してバリア性を有する第７の絶縁体を形成し、第７の絶縁体を介して、第６の導電体と重畳する領域に、第７の導電体を形成することで、容量を形成する。
上記構成において、バリア層は、ＡＬＤ法により形成された窒化タンタルである。
上記構成において、バリア層は、ＡＬＤ法により形成された酸化アルミニウムである。
上記構成において、第７の導電体は、スパッタリング法により形成された酸化アルミニウムである。
酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
または、新規な半導体装置を提供することができる。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の回路図。 実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、半導体装置の作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。 本発明の一態様に係る酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。 ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。 酸化物半導体の積層構造におけるバンド図。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。 ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。 ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの断面ＴＥＭ像。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。 本発明の一態様を説明するためのフローチャート、および半導体装置を示す斜視図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」又は「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
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、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１乃至図１２を用いて説明する。
［構成例］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１乃至図８に示す。なお、図６（Ａ）は、図１乃至図４を回路図で表したものである。図７は、図１乃至図４に示す半導体装置が形成される領域の端部を示す。
＜半導体装置の回路構成＞
図６（Ａ）、および図１乃至図４に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置（記憶装置）に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体装置（記憶装置）と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。
図６（Ａ）において、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
図６（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線３００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＦＧの電荷は長期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。配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線３００５の電位をいうものとする。したがって、配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
また、図６（Ａ）に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置（メモリセルアレイ）を構成することができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、トランジスタ３００をｐチャネル型とした場合、メモリセルはＮＯＲ型の構成となる。従って、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。または、トランジスタ３００をｎチャネル型とした場合、メモリセルはＮＡＮＤ型の構成となる。従って、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。
＜半導体装置の回路構成２＞
図６（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３００を有さない点で図６（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図６（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図６（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ２００が導通状態になると、浮遊状態である配線３００３と容量素子１００とが導通し、配線３００３と容量素子１００の間で電荷が再分配される。その結果、配線３００３の電位が変化する。配線３００３の電位の変化量は、容量素子１００の電極の一方の電位（または容量素子１００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
例えば、容量素子１００の電極の一方の電位をＶ、容量素子１００の容量をＣ、配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子１００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
本構成とする場合、例えば、メモリセルを駆動させるための駆動回路にシリコンが適用されたトランジスタを用い、トランジスタ２００として、酸化物半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。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、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。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好ましい）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、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。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わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリとは異なり書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜半導体装置の構造１＞
本発明の一態様の半導体装置は、図１に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１４、基板３１１の一部からなる半導体領域３１２、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂを有する。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１２のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂは、半導体領域３１２に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図１に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。また、図６（Ｂ）に示す回路構成とする場合、トランジスタ３００を設けなくともよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２４の比誘電率は、絶縁体３２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能を有する。また、後述するが、プラグまたは配線として機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
絶縁体３５４上には、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体３５８、および絶縁体２１２には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、例えば、絶縁体２１３、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体３５８、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、後の実施の形態で説明するトランジスタを用いればよい。また、図１に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。また、絶縁体２８０には、導電体２４４等が埋め込まれている。
導電体２４４は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体２４４は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
例えば、導電体２４４を積層構造として設ける場合、酸化しにくい（耐酸化性が高い）導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する領域に、耐酸化性が高い導電体を設けることが好ましい。当該構成により、絶縁体２８０から過剰な酸素を、導電体２４４が吸収することを抑制することができる。また、導電体２４４は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する領域に、水素などの不純物に対するバリア性を有する導電体を設けることで、導電体２４４中の不純物、および導電体２４４の一部の拡散や、外部からの不純物の拡散経路となることを抑制することができる。
また、導電体２４４上に、バリア層２８１を設けてもよい。バリア層２８１を有することで、導電体２４４に含まれる不純物や、導電体２４４の一部の拡散を抑制することができる。また、導電体２４４と通過して、不純物が拡散することを抑制することができる。
バリア層２８１には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、または窒化タンタルなどの金属窒化物などを用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。
また、導電体１１２（導電体２４４）として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いた場合、タングステンや銅などの導電性が高い導電体は、窒化タンタル、およびバリア層２８１により完全に密封される。従って、銅などの導電体自身の拡散を抑制するとともに、絶縁体２８２よりも上方から、導電体２４４を通過して不純物が侵入することを抑制することができる。
バリア層２８１、および絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
従って、トランジスタ２００、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２により挟む構成とすることができる。また、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２８２は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、トランジスタ２００へ、拡散することを抑制することができる。
つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物が不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
ここで、図７にスクライブライン近傍の断面図を示す。
例えば、図７（Ａ）に示すように、トランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるスクライブライン（図中１点鎖線で示す）と重なる領域近傍において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０に開口を設ける。また、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面を覆うように、絶縁体２８２を設ける。
従って、該開口において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と絶縁体２８２とが接する。このとき、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の少なくとも一と、絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２８２で、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２８２は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体装置をスクライブしても、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ２００に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体２８０の過剰酸素が絶縁体２８２、および絶縁体２１４の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
また、例えば、図７（Ｂ）に示すように、スクライブライン（図中１点鎖線で示す）の両側となる領域において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０に開口を設けてもよい。なお、図では開口は２か所としたが、必要に応じて、複数の開口を設けてもよい。
従って、スクライブラインの両側に設けられた開口において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と絶縁体２８２とが、少なくとも２か所で接するため、より密着性が高い構造となる。なお、この場合においても、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の少なくとも一と、絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
また、開口を複数設けることで、絶縁体２８２と、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４とが、複数の領域で接する構造とすることができる。また、スクライブラインから侵入する不純物が、絶縁体２１４と絶縁体２８２が接する領域のうち、最もトランジスタ２００と近い領域まで拡散する場合において、不純物の拡散距離を長くすることができる。
当該構造により、トランジスタ２００と絶縁体２８０とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１２と、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０、導電体１１６とを有する。
導電体１１２は、容量素子１００の電極として機能を有する。例えば、図１に示す構成は、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００と接続するプラグまたは配線として機能する導電体２４４の一部が、導電体１１２としての機能を備える構成である。なお、バリア層２８１が導電性を有する場合は、バリア層２８１は、容量素子１００の電極の一部として機能する。また、バリア層２８１が絶縁性である場合は、バリア層２８１は、容量素子１００の誘電体として機能する。
当該構成とすることで、電極と配線とを別々に形成する場合よりも、工程数を削減できるため、生産性を高くすることができる。
また、絶縁体２８２において、導電体１１２、および導電体１１６で挟まれた領域は、誘電体として機能する。例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、容量素子１００は、十分な容量を確保することができる。
また、誘電体の一部として、絶縁体１３０を設けてもよい。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
導電体１１６は、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０を介して、導電体１１２の側面、および上面を覆うように設ける。当該構成により、導電体１１２の側面は、絶縁体を介して、導電体１１６に包まれる。当該構成とすることで、導電体１１２の側面でも容量が形成されるため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
なお、導電体１１６は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体１１６、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜変形例１＞
また、本実施の形態の変形例として、図２に示すように、導電体２４４、および導電体２４６を形成してもよい。つまり、絶縁体２８０にプラグとなる導電体２４４を埋め込み、導電体２４４上に、バリア性を有する導電体を用いて、配線となる導電体２４６を設けてもよい。なお、この場合、導電体２４６は、バリア性だけでなく、耐酸化性が高い導電体を用いることが好ましい。当該構成とすることで、バリア性を有する導電体を用いて、配線を形成することで、バリア層２８１を別途設ける必要はない。
導電体２４６には、バリア性を有する窒化タンタルを用いることが好ましい。また、導電体２４４として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いた場合、タングステンや銅などの導電性が高い導電体は、窒化タンタルにより完全に密封される。従って、銅などの導電体自身の拡散を抑制するとともに、絶縁体２８２よりも上方から、導電体２４４を通過して不純物が侵入することを抑制することができる。
従って、容量素子１００は、図２に示すように、導電体１１２と、絶縁体２８２、および絶縁体１３０、導電体１１６とを有する。
容量素子１００の電極として機能を有する導電体１１２は、導電体２４６と、同時に形成することが可能である。当該構成とすることで、生産性を高くすることができる。また、バリア層を形成するためのマスクが不要となる為、工程を削減することができる。
また、絶縁体２８２において、導電体１１２、および導電体１１６で挟まれた領域は、誘電体として機能する。例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、容量素子１００は、十分な容量を確保することができる。
また、誘電体の一部として、絶縁体１３０を設けてもよい。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
導電体１１６は、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０を介して、導電体１１２の側面、および上面を覆うように設ける。当該構成により、導電体１１２の側面は、絶縁体を介して、導電体１１６に包まれる。当該構成とすることで、導電体１１２の側面でも容量が形成されるため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜変形例２＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図３に示す。図３は、図１と、トランジスタ３００、およびトランジスタ２００の構成が異なる。
図３に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１２（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１２の側面および上面を、絶縁体３１４を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
図３に示すトランジスタ２００構造の詳細は、他の実施の形態で後述する。絶縁体２８０に形成された開口部に、酸化物、ゲート絶縁体、およびゲートとなる導電体が形成されている。従って、少なくとも、ゲートとなる導電体上にバリア層２８１を形成することが好ましい。
また、導電体１１２（導電体２４４）として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いた場合、タングステンや銅などの導電性が高い導電体は、窒化タンタル、およびバリア層２８１により完全に密封される。従って、銅などの導電体自身の拡散を抑制するとともに、絶縁体２８２よりも上方から、導電体２４４を通過して不純物が侵入することを抑制することができる。
なお、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。図３に示す構成は、容量素子１００において、導電体１１２と、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０、導電体１１６とを有する。
導電体１１２は、容量素子１００の電極として機能を有する。例えば、図３に示す構成は、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００と接続するプラグまたは配線として機能する導電体２４４の一部が、導電体１１２としての機能を備える構成である。なお、バリア層２８１が導電性を有する場合は、バリア層２８１は、容量素子１００の電極の一部として機能する。また、バリア層２８１が絶縁性である場合は、バリア層２８１は、容量素子１００の誘電体として機能する。
当該構成とすることで、電極と配線とを別々に形成する場合よりも、工程数を削減できるため、生産性を高くすることができる。
また、絶縁体２８２において、導電体１１２、および導電体１１６で挟まれた領域は、誘電体として機能する。例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、容量素子１００は、十分な容量を確保することができる。
また、誘電体の一部として、絶縁体１３０を設けてもよい。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
導電体１１６は、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０を介して、導電体１１２の側面、および上面を覆うように設ける。当該構成により、導電体１１２の側面は、絶縁体を介して、導電体１１６に包まれる。当該構成とすることで、導電体１１２の側面でも容量が形成されるため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
＜変形例３＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図４に示す。図４は、図２と、トランジスタ３００、およびトランジスタ２００の構成が異なる。
図４に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１２（基板３１１の一部）が凸形状を有するＦＩＮ型トランジスタを用いてもよい。
図４に示すトランジスタ２００構造の詳細は、他の実施の形態で後述する。絶縁体２８０に形成された開口部に、酸化物、ゲート絶縁体、およびゲートとなる導電体が形成されている。
また、図４に示すように、導電体２４４、および導電体２４６を形成してもよい。つまり、絶縁体２８０にプラグとなる導電体２４４を埋め込み、導電体２４４上に、バリア性を有する導電体を用いて、配線となる導電体２４６を設ける。従って、トランジスタ２００のゲートとなる導電体と接続する導電体２４６も、バリア性を有する導電体により設けられる。なお、導電体２４６は、バリア性だけでなく、耐酸化性が高い導電体を用いることが好ましい。当該構成とすることで、バリア性を有する導電体を用いて、配線を形成することで、バリア層２８１を別途設ける必要はない。
導電体２４６には、バリア性を有する窒化タンタルを用いることが好ましい。また、導電体２４４として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いた場合、タングステンや銅などの導電性が高い導電体は、窒化タンタルにより完全に密封される。従って、銅などの導電体自身の拡散を抑制するとともに、絶縁体２８２よりも上方から、導電体２４４を通過して不純物が侵入することを抑制することができる。
従って、容量素子１００は、図４に示すように、導電体１１２と、絶縁体２８２、および絶縁体１３０、導電体１１６とを有する。
容量素子１００の電極として機能を有する導電体１１２は、導電体２４６と、同時に形成することが可能である。当該構成とすることで、生産性を高くすることができる。また、バリア層を形成するためのマスクが不要となる為、工程を削減することができる。
また、絶縁体２８２において、導電体１１２、および導電体１１６で挟まれた領域は、誘電体として機能する。例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、容量素子１００は、十分な容量を確保することができる。
また、誘電体の一部として、絶縁体１３０を設けてもよい。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた場合、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
導電体１１６は、バリア層２８１、絶縁体２８２、および絶縁体１３０を介して、導電体１１２の側面、および上面を覆うように設ける。当該構成により、導電体１１２の側面は、絶縁体を介して、導電体１１６に包まれる。当該構成とすることで、導電体１１２の側面でも容量が形成されるため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
＜変形例４＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図５に示す。図５は、図４と、トランジスタ２００の構成が異なる。
図５に示すように、絶縁体２７９、およびバリア層２７１を設けてもよい。絶縁体２７９は、絶縁体２８０と、同様の材料及び作製方法を用いて形成することができる。つまり、絶縁体２７９は、絶縁体２８０と、同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。従って、絶縁体２７９は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、絶縁体２７９となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。また、絶縁体２７９に、過剰酸素領域を形成するために、例えば、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
バリア層２７１は、酸素に対するバリア性を有する絶縁体、または導電体を用いる。バリア層２７１には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化タンタルなどを、スパッタリング法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、設けることができる。
絶縁体２７９、およびバリア層２７１上に、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２７９、および絶縁体２８０を同材料、および同作製方法で設けることにより、絶縁体２８０に対して、過酸素化処理を行った場合、導入された過剰な酸素は絶縁体２８０だけでなく、絶縁体２７９にも拡散する。従って、絶縁体２８０、および絶縁体２７９に、過剰酸素領域を形成するには、例えば、絶縁体２８０に対して、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記構成例で示した半導体装置の作製方法の一例について、図８乃至図１９を用いて説明する。
＜半導体装置の作製方法＞
まず、基板３１１を準備する。基板３１１としては、半導体基板を用いる。例えば、単結晶シリコン基板（ｐ型の半導体基板、またはｎ型の半導体基板を含む）、炭化シリコンや窒化ガリウムを材料とした化合物半導体基板などを用いることができる。また、基板３１１として、ＳＯＩ基板を用いてもよい。以下では、基板３１１として単結晶シリコンを用いた場合について説明する。
続いて、基板３１１に素子分離層を形成する。素子分離層はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法またはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法等を用いて形成すればよい。
なお、同一基板上にｐ型のトランジスタとｎ型のトランジスタを形成する場合、基板３１１の一部にｎウェルまたはｐウェルを形成してもよい。例えば、ｎ型の基板３１１にｐ型の導電性を付与するホウ素などの不純物元素を添加してｐウェルを形成し、同一基板上にｎ型のトランジスタとｐ型のトランジスタを形成してもよい。
続いて、基板３１１上に絶縁体３１４となる絶縁体を形成する。例えば、表面窒化処理後に酸化処理を行い、シリコンと窒化シリコン界面を酸化して酸化窒化シリコン膜を形成してもよい。例えばＮＨ３雰囲気中で７００℃にて熱窒化シリコン膜を表面に形成後に酸素ラジカル酸化を行うことで酸化窒化シリコン膜が得られる。
当該絶縁体は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法等を含む）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で成膜することにより形成してもよい。
続いて、導電体３１６となる導電膜を成膜する。導電膜としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造を用いてもよい。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。なお、導電体３１６の仕事関数を定めることで、トランジスタ３００のしきい値電圧を調整することができるため、導電膜の材料は、トランジスタ３００に求められる特性に応じて、適宜選択するとよい。
導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
続いて、当該導電膜上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成し、当該導電膜の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、導電体３１６を形成することができる。
導電体３１６の形成後、導電体３１６の側面を覆うサイドウォールを形成してもよい。サイドウォールは、導電体３１６の厚さよりも厚い絶縁体を成膜した後に、異方性エッチングを施し、導電体３１６の側面部分のみ当該絶縁体を残存させることにより形成できる。
サイドウォールの形成時に絶縁体３１４となる絶縁体も同時にエッチングされることにより、導電体３１６およびサイドウォールの下部に絶縁体３１４が形成される。または、導電体３１６を形成した後に導電体３１６、または導電体３１６を加工するためのレジストマスクをエッチングマスクとして当該絶縁体をエッチングすることにより絶縁体３１４を形成してもよい。この場合、導電体３１６の下部に絶縁体３１４が形成される。または、当該絶縁体に対してエッチングによる加工を行わずに、そのまま絶縁体３１４として用いることもできる。
続いて、基板３１１の導電体３１６（およびサイドウォール）が設けられていない領域にリンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を添加する。
続いて、絶縁体３２０を形成した後、上述した導電性を付与する元素の活性化のための加熱処理を行う。
絶縁体３２０は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。また、酸素と水素を含む窒化シリコン（ＳｉＮＯＨ）を用いると、加熱によって脱離する水素の量を多くすることができるため好ましい。また、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いることもできる。
絶縁体３２０は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
加熱処理は、希ガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下、または減圧雰囲気下にて、例えば、４００℃以上でかつ基板の歪み点未満で行うことができる。
この段階でトランジスタ３００が形成される。なお、図６（Ｂ）に示す回路構成とする場合、トランジスタ３００を設けなくともよい。その場合、基板として使用することができる基板に大きな制限はない。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
続いて、絶縁体３２０上に絶縁体３２２を形成する。絶縁体３２２は、絶縁体３２０と同様の材料および方法で作製することができる。また、絶縁体３２２の上面を、ＣＭＰ法等を用いて、平坦化を行う（図８（Ａ））。
続いて、絶縁体３２０、および絶縁体３２２に、リソグラフィ法などを用いて、低抵抗領域３１８ａ、低抵抗領域３１８ｂおよび導電体３１６等に達する開口部を形成する（図８（Ｂ））。その後、開口部を埋めるように導電膜を形成する（図８（Ｃ））。導電膜の形成は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。
続いて、絶縁体３２２の上面が露出するように該導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電体３２８ａ、導電体３２８ｂ、および導電体３２８ｃ等を形成する（図８（Ｄ））。なお、図中の矢印は、ＣＭＰ処理を表す。また、明細書中、及び図中において、導電体３２８ａ、導電体３２８ｂ、および導電体３２８ｃは、プラグ、または配線として機能を有し、まとめて導電体３２８と付記する場合もある。なお、本明細書中において、プラグ、または配線として機能を有する場合は、同様に取り扱うものとする。
続いて、絶縁体３２０上に、ダマシン法などを用いて導電体３３０ａ、導電体３３０ｂ、および導電体３３０ｃを形成する（図９（Ａ））。
絶縁体３２４、および絶縁体３２６は絶縁体３２０と同様の材料および方法で作製することができる。
絶縁体３２４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。
また、絶縁体３２６は、誘電率が低い絶縁体（Ｌｏｗ−ｋ材料）であることが好ましい。例えば、ＣＶＤ法で形成した酸化シリコンを用いることができる。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、導電体３３０となる導電膜は、導電体３２８と同様の材料および方法で作製することができる。
なお、導電体３３０を積層構造とする場合、絶縁体３２４と接する導電体として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いることが好ましい。例えば、バリア性を有する窒化タンタルは、基板温度２５０℃、塩素を含まない成膜ガスを用いて、ＡＬＤ法により成膜することができる。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える導電体を形成することができる。また、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する絶縁体３２４と、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体が接することで、より強固に酸素、水素、または水の拡散を抑制することができる。
次に、絶縁体３５０、絶縁体３５２、絶縁体３５４、導電体３５６ａ、導電体３５６ｂ、および導電体３５６ｃを形成する（図９（Ｂ））。絶縁体３５２、および絶縁体３５４は絶縁体３２０と同様の材料および方法で作製することができる。また、導電体３５６はデュアルダマシン法などを用いて、導電体３２８と同様の材料を用いることができる。
なお、導電体３５６を積層構造とする場合、絶縁体３５０と接する導電体として、窒化タンタルなどの、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体と、タングステンや銅などの導電性が高い導電体を積層して用いることが好ましい。特に、導電体３５６に銅などの拡散しやすい材料を用いる場合、銅に対してもバリア性を有する導電体と積層することが好ましい。また、絶縁体３５４にも、銅に対してバリア性を有する絶縁体であることが好ましい。絶縁体３５４と、酸素、水素、または水に対してバリア性を有する導電体が接することで、より強固に酸素、水素、または水の拡散を抑制することができる。
続いて、水素または酸素に対してバリア性を有する絶縁体３５８を形成する。絶縁体３５８は絶縁体３５４と同様に、導電体３５６に用いられる導電体に対して、バリア性を有することが好ましい。
絶縁体３５８上に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４を形成する。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４は、絶縁体３２４、および絶縁体３２６などと同様の材料および方法で作製することができる。
例えば、絶縁体２１０は、誘電率が低い絶縁体（Ｌｏｗ−ｋ材料）であることが好ましい。例えば、ＣＶＤ法で形成した酸化シリコンを用いることができる。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体２１２には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素などの不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。
また、絶縁体２１３は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＡＬＤ法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体を形成することができる。
また、絶縁体２１４は、例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、スパッタリング法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。
続いて、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を形成する。絶縁体２１６は、絶縁体２１０と同様の材料および方法で作製することができる（図９（Ｃ））。
次に、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の積層構造において、導電体３５６ａ、導電体３５６ｂ、および導電体３５６ｃ等と重畳する領域に、凹部を形成する（図１０（Ａ））。なお、該凹部は、少なくとも難エッチング材料を用いた絶縁体に開口部が形成される程度の深さを有することが好ましい。ここで、難エッチング材料とは、金属酸化物などのエッチングが困難な材料を指す。難エッチング材料である金属酸化膜の代表例としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、及びそれらを含むシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ，ＺｒＳｉｘＯｙ等）、並びにそれらの二以上を含む複合酸化物（Ｈｆ１‐ｘＡｌｘＯｙ，Ｚｒ１‐ｘＡｌｘＯｙ等）がある。
続いて、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の積層構造に、導電体２０５を形成する領域に開口部を形成するとともに、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の積層構造に形成された凹部の底部を除去することにより、導電体３５６ａ、導電体３５６ｂ、および導電体３５６ｃに達する開口部を形成する（図１０（Ｂ））。このさい、凹部の上方、例えば絶縁体２１６に形成された開口部を広くすることで、後の工程で形成されるプラグ、または配線に対し、十分な設計マージンを確保することができる。
その後、開口部を埋めるように導電膜を形成する。導電膜の形成は、導電体３２８と同様の材料および方法で作製することができる。続いて、導電膜に平坦化処理を施すことにより、絶縁体２１６の上面を露出させ、導電体２１８ａ、導電体２１８ｂ、導電体２１８ｃ、および導電体２０５を形成する（図１１（Ａ））。
次に、トランジスタ２００を形成する。なお、トランジスタ２００の作製方法は、後の実施の形態で説明する作製方法を用いて、形成すればよい。
続いて、トランジスタ２００上に、絶縁体２８０を形成する。絶縁体２８０は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。なお、絶縁体２８０は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、絶縁体２８０となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい（図１１（Ｂ））。
ここで、絶縁体２８０に、過剰酸素領域を形成してもよい。過剰酸素領域を形成するには、例えば、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に、導電体２１８ａ、導電体２１８ｂ、導電体２１８ｃ、およびトランジスタ２００等に達する開口部を形成する（図１２（Ａ））。
その後、開口部を埋めるように導電膜２４４Ａ、および導電膜２４４Ｂを形成する（図１２（Ｂ））。続いて、導電膜に平坦化処理を施すことにより、導電膜２４４Ｂの上層を除去することで、導電膜２４４Ｂの膜厚を、リソグラフィ法を用いて加工できる程度に薄膜化する（図１３、なお図中矢印はＣＭＰ処理を表す）。続いて、レジストマスクを用いて、導電膜２４４Ａ、および導電膜２４４Ｂの不要な部分をエッチングにより除去し、導電体２４４ａ、導電体２４４ｂ、導電体２４４ｃ（導電体１１２）、および導電体２４４ｄを形成する（図１４）。
次に、絶縁体２８０、および導電体２４４上に、バリア膜２８１Ａを形成する（図１５）。バリア膜２８１Ａとしては、ＡＬＤ法で形成した酸化アルミニウムを用いることができる。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体を形成することができる。バリア層２８１を有することで、導電体２４４に含まれる不純物や、導電体２４４の一部の拡散を抑制することができる。また、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。
続いて、レジストマスクを用いて、バリア膜２８１Ａの不要な部分をエッチングにより除去し、バリア層２８１ａ、バリア層２８１ｂ、バリア層２８１ｃ、およびバリア層２８１ｄを形成する（図１６）。
ここで、絶縁体２８０に、過剰酸素領域を形成する。過剰酸素領域を形成するには、例えば、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
例えば、酸素プラズマ処理を行う（図１７、図中矢印はプラズマ処理を表す。）。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。
酸素プラズマ処理により、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００において活性層として用いられる酸化物２３０が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体２８０に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物２３０には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体２８０の過剰な酸素により、酸化物２３０の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理によりまた、絶縁体２８０から不純物である水素、または水を除去することができる。また、酸化物２３０は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ２００の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
また、バリア層２８１を有することで、導電体２４４が酸素プラズマ処理により、酸化されることを防止することができる。また、導電体２４４を、耐酸化性が高い導電体を用いて形成する場合、バリア層２８１は必須の構成ではない。
続いて、絶縁体２８０、およびバリア層２８１上に絶縁体２８２を形成する（図１８）。また、酸素導入処理の一例として、絶縁体２８０上に、スパッタリング装置を用いて、酸化物を積層する方法がある。例えば、絶縁体２８２を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２８２を成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を導入することができる。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が被成膜表面に付着することにより膜が形成される。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体２８０に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体１１０の内部まで到達する。イオンが絶縁体２８０に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２８０に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２８０に過剰酸素領域が形成される。
また、絶縁体２８０に、絶縁体２８２を介して、酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入し、酸素を過剰に含有する領域を形成してもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。酸素導入処理を、絶縁体２８２を介して行うことで、絶縁体２８０を保護した状態で、過剰酸素領域を形成することができる。
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３５０℃以上４００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。
加熱処理により、絶縁体２８０に導入された過剰酸素は、絶縁体２８０中を拡散する。ここで、絶縁体２８０は、酸素に対するバリア性を有する絶縁体２８２、および絶縁体２２２により、包まれている。従って、絶縁体２８０に導入された過剰酸素は、外部に放出されることを防ぎ、効率的に酸化物２３０へ供給される。
また、加熱処理により、絶縁体２８０の水素が移動し、絶縁体２８２に取り込まれる。絶縁体２８２に取り込まれた水素は、絶縁体２８２中の酸素と反応することで、水が生成する場合がある。生成された水は、絶縁体２８２上から放出される。従って、絶縁体２８０の不純物としての水素、及び水を低減することができる。なお、絶縁体２８２に酸化アルミニウムを用いている場合、絶縁体２８２が触媒として機能していると考えられる。
酸化物２３０へ供給された酸素は、酸化物２３０中の酸素欠損を補償する。従って、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を、欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
以上、成膜後の絶縁体２８０に酸素を導入して、酸素を過剰に含有する領域を形成するために、酸素プラズマ処理、イオン注入法、または加熱処理の、いずれかまたは全ての手段を組み合わせてもよい。
続いて、絶縁体２８２上に、導電体１１２の側面、および上面を覆う絶縁体１３０を成膜する。絶縁体１３０には例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよい。
続いて、絶縁体１３０上に導電体１１６を形成する。なお、導電体１１６の形成は、導電体１１２と同様の材料および方法で作製することができる。
続いて、容量素子１００を覆う絶縁体１５０を成膜する。絶縁体１５０となる絶縁体は、絶縁体３２０等と同様の材料および方法により形成することができる。
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる（図１９）。
上記工程を経て作製することにより、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置は、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２０乃至図３０を用いて説明する。
＜トランジスタ構造１＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）、および図２０（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図および断面図である。図２０（Ａ）は上面図であり、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２、図２０（Ｃ）は、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２に対応する断面図である。なお、図２０（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ２００は、ゲート電極として機能する導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能する導電体２４０ａと、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能する導電体２４０ｂと、過剰酸素を有する絶縁体２８０と、バリア性を有する絶縁体２８２と、を有する。
また、酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、主として酸化物２３０ｂに電流が流れる（チャネルが形成される）。一方、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂとの界面近傍（混合領域となっている場合もある）は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
また、図２０に示すように、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面を覆うように設けることが好ましい。絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｃが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
導電体２０５には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等である。特に、窒化タンタル膜などの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、酸化しにくい（耐酸化性が高い）ため、好ましい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
例えば、導電体２０５ａとして、水素に対するバリア性を有する導電体として、窒化タンタル等を用い、導電体２０５ｂとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物２３０への水素の拡散を抑制することができる。なお、図２０では、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂの２層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも３層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
絶縁体２２０、および絶縁体２２４は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体２２４として過剰酸素を含む（化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む）絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を、トランジスタ２００を構成する酸化物に接して設けることにより、酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体２２２と絶縁体２２４とは、必ずしも同じ材料を用いなくともよい。
絶縁体２２２は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム膜、および酸化ハフニウム膜、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
絶縁体２２０及び絶縁体２２４の間に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体２２２を有することで、特定の条件で絶縁体２２２が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体２２２が負に帯電する場合がある。
例えば、絶縁体２２０、および絶縁体２２４に、酸化シリコンを用い、絶縁体２２２に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、導電体２０５の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１０ミリ秒以上、代表的には１分以上維持することで、トランジスタ２００を構成する酸化物から導電体２０５に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体２２２の電子捕獲準位に捕獲される。
絶縁体２２２の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体２０５の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚が薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚は、６５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下であることが好ましい。
従って、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）等の金属酸化物で形成される。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
以下に、本発明に係る酸化物２３０について説明する。
酸化物２３０に用いる酸化物としては、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここで、酸化物が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
まず、図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）を用いて、本発明に係る酸化物が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図３１には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラインを表す。
また、二点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋γ）：２：（１−γ）の原子数比（−１≦γ≦１）となるラインを表す。また、図３１に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
図３１（Ａ）および図３１（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
一例として、図３２に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図３２は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造である。なお、図３２に示すＭ、Ｚｎ、酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）における金属元素は、元素Ｍまたは亜鉛を表している。この場合、元素Ｍと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Ｍと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。
ＩｎＭＺｎＯ４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図３２に示すように、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）が１に対し、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する（Ｍ，Ｚｎ）層が２となる。
また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。その場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造をとる。
［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物は、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造をとる。つまり、［Ｉｎ］および［Ｍ］に対し［Ｚｎ］が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、Ｉｎ層に対する（Ｍ，Ｚｎ）層の割合が増加する。
ただし、酸化物中において、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層の層数が非整数である場合、Ｉｎ層が１層に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層の層数が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
例えば、酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。
また、酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。これは、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物はインジウムの含有率が低い酸化物と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
一方、酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図３１（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
従って、本発明の一態様の酸化物は、キャリア移動度が高く、かつ、結晶粒界が少ない層状構造となりやすい、図３１（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。
また、図３１（Ｂ）に示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。
なお、酸化物が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
続いて、上記酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
なお、上記酸化物をトランジスタに用いることで、結晶粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
ここで、酸化物中における各不純物の影響について説明する。
酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物において欠陥準位が形成される。このため、酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
不純物が十分に低減された酸化物をトランジスタのチャネル領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
続いて、該酸化物を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、および酸化物Ｓ３の積層構造、および積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物Ｓ２および酸化物Ｓ３の積層構造、および積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物Ｓ１および酸化物Ｓ２の積層構造、および積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図３３を用いて説明する。
図３３（Ａ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図３３（Ｂ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図３３（Ｃ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。すなわち、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３の電子親和力と、酸化物Ｓ２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。
図３３（Ａ）、図３３（Ｂ）、および図３３（Ｃ）に示すように、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を有するためには、酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面、または酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３が、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物Ｓ２がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物Ｓ２となる。酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３を設けることにより、トラップ準位を酸化物Ｓ２より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ１との界面、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３には、図３１（Ｃ）において、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物を用いればよい。なお、図３１（Ｃ）に示す領域Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である原子数比を示している。
特に、酸化物Ｓ２に領域Ａで示される原子数比の酸化物を用いる場合、酸化物Ｓ１および酸化物Ｓ３には、［Ｍ］／［Ｉｎ］が１以上、好ましくは２以上である酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物Ｓ３として、十分に高い絶縁性を得ることができる［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｉｎ］）が１以上である酸化物を用いることが好適である。
絶縁体２５０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などを含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減することができる。
また、絶縁体２５０は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることができる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
なお、絶縁体２５０は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体２５０が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ２００は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
また、図２０に示す半導体装置において、酸化物２３０と導電体２６０の間に、絶縁体２５０の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物２３０ｃにバリア性があるものを用いてもよい。
例えば、過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物２３０に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物２３０への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
導電体２４０ａと、および導電体２４０ｂは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
導電体２４０ａと、導電体２４０ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタルとタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、ゲート電極として機能を有する導電体２６０は、例えばアルミニウム、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金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。
例えば、アルミニウム上にチタン膜を積層する二層構造とするとよい。また、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
また、導電体２６０は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
続いて、トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を設ける。
絶縁体２８０には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
絶縁体２８２は、例えば、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
上記構成を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、上記構成を有するトランジスタを半導体装置に用いることで、半導体装置の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜トランジスタ構造２＞
図２１には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２１（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２１（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２１（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２１に示すトランジスタ２００において、図２０に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図２１に示す構造は、導電体２６０を、２層構造で設けている。２層構造としては、同じ材料を積層して設けてもよい。例えば、導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため、導電体２６０ａをＡＬＤ法等により形成することが好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
続いて、導電体２６０ｂはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体２５０上に、導電体２６０ａを有することで、導電体２６０ｂの成膜時のダメージが、絶縁体２５０に影響することを抑制することができる。また、ＡＬＤ法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。
さらに、図２１に示す構造は、導電体２６０を覆うように、絶縁体２７０を設ける。絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体２６０ｂが、脱離した酸素により酸化することを防止するため、絶縁体２７０は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。
例えば、絶縁体２７０には、酸化アルミニウムなどの金属酸化物を用いることができる。また絶縁体２７０は、導電体２６０の酸化を防止する程度に設けられていればよい。例えば、絶縁体２７０の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下として設ける。
当該構成とすることで、導電体２６０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
従って、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２６０に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造３＞
図２２には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２２（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２２（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２２（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２２に示すトランジスタ２００において、図２０に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図２２に示す構造は、ゲート電極と機能する導電体２６０が、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、導電体２６０ｃを有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂの側面を覆っていればよく、絶縁体２２４上で切断されていてもよい。
導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、原ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対するプラズマによるダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため、導電体２６０ａをＡＬＤ法等により形成することが好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
また、導電体２６０ｂは、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いて形成する。さらに、導電体２６０ｂ上に形成する導電体２６０ｃは、窒化タングステンなどの耐酸化性が高い導電体を用いて形成することが好ましい。
例えば、絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する面積が大きい導電体２６０ｃに耐酸化性が高い導電体を用いることで、過剰酸素から脱離される酸素が導電体２６０に吸収されることを抑制することができる。また、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２６０ｂに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
また、図２２（Ｃ）に示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、酸化物２３０ｂが導電体２６０に覆われている。また、絶縁体２２４が凸部を有することによって、酸化物２３０ｂの側面も導電体２６０で覆うことができる。例えば、絶縁体２２４の凸部の形状を調整することで、酸化物２３０ｂの側面において、導電体２６０の底面が、酸化物２３０ｂの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ２００は、導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタ２００は、酸化物２３０ｂ全体（バルク）にチャネルを形成することもできる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流（トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流）を得ることができる。また、導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
＜トランジスタ構造４＞
図２３には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２３（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２３（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２３（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２３に示すトランジスタ２００において、図２０に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図２３に示す構造は、ソースまたはドレインとして機能する導電体が積層構造を有する。導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０ｂと密着性が高い導電体を用い、導電体２４１ａ、導電体２４１ｂは、導電性が高い材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、被覆性を向上させることができる。
例えば、酸化物２３０ｂに、インジウムを有する金属酸化物を用いる場合、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂには、窒化チタンなどを用いればよい。また、導電体２４１ａ、および導電体２４１ｂに、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いることで、信頼性が高く、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
また、図２３（Ｂ）、および図２３（Ｃ）に示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、酸化物２３０ｂが導電体２６０に覆われている。また、絶縁体２２２が凸部を有することによって、酸化物２３０ｂの側面も導電体２６０で覆うことができる。
ここで、絶縁体２２２に、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いる場合、絶縁体２２２の比誘電率が大きいため、ＳｉＯ２膜換算膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を小さくすることができる。従って、酸化物２３０にかかる導電体２０５からの電界の影響を弱めることなく、絶縁体２２２の物理的な厚みにより、導電体２０５と、酸化物２３０との間の距離を広げることができる。従って、絶縁体２２２の膜厚により、導電体２０５と、酸化物２３０との間の距離を調整することができる。
例えば、絶縁体２２４の凸部の形状を調整することで、酸化物２３０ｂの側面において、導電体２６０の底面が、酸化物２３０ｂの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ２００は、導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタ２００は、酸化物２３０ｂ全体（バルク）にチャネルを形成することもできる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流（トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流）を得ることができる。また、導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
＜トランジスタ構造５＞
図２４には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２４（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２４（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２４（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２４に示すトランジスタ２００において、図２０に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図２４に示すトランジスタ２００は、絶縁体２８０に形成された開口部に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０が形成されている。また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの一方の端部と、絶縁体２８０に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの三方の端部が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの端部の一部と一致している。従って、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂは、酸化物２３０または絶縁体２８０の開口部と、同時に成形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄは、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と、酸化物２３０ｄを介して接する。そのため、絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｄが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
さらに、図２４に示すトランジスタ２００は、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂと、導電体２６０と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体２６０にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造６＞
図２５には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２５（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２５（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２５（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２５に示すトランジスタ２００において、図２４に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
絶縁体２８２上に、絶縁体２８５、および絶縁体２８６が形成される。
絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８５に形成された開口部に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０が形成されている。また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの一方の端部と、絶縁体２８０に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂの三方の端部が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの端部の一部と一致している。従って、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、または絶縁体２８０の開口部と、同時に成形することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂは、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と、酸化物２３０ｄを介して接する。そのため、絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｄが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
また、図２５に示すトランジスタ２００は、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ２００のオン電流を増大させることができる。
＜トランジスタ構造７＞
図２６には、トランジスタ２００に適応できる構造の一例を示す。図２６（Ａ）はトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２６（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図２６（Ｃ）はＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
なお、図２６に示すトランジスタ２００において、図２０に示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図２６に示すトランジスタ２００は、酸化物２３０ｄを有さない構造である。例えば、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに耐酸化性が高い導電体を用いる場合、酸化物２３０ｄは、必ずしも設けなくてもよい。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
また、絶縁体２２４は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと重畳する領域にのみ設けてもよい。この場合、絶縁体２２２をエッチングストッパーとして、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および絶縁体２２４を加工することができる。従って、歩留まりや生産性を高めることができる。
さらに、図２６に示すトランジスタ２００は、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂと、導電体２６０と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体２６０にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタの作製方法＞
以下に、図２０に示したトランジスタの作製方法の一例を図２７乃至図３０を参照して説明する。
はじめに、基板を準備する（図示しない）。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
次に、絶縁体２１４、絶縁体２１６を形成する。続いて、絶縁体２１６上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスク２９０を形成し、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の不要な部分を除去する（図２７（Ａ））。その後、レジストマスク２９０を除去することにより、開口部を形成することができる。
ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ）膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
続いて、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂを成膜する。導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂは、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい（図２７（Ｂ））。
続いて、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理などにより、絶縁体２１６が露出するまで、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂの一部を除去することで、導電体２０５を形成する（図２７（Ｃ））。この際、絶縁体２１６をストッパ層として使用することもでき、絶縁体２１６が薄くなる場合がある。
ここで、ＣＭＰ処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。
次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を形成する（図２７（Ｄ））。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、絶縁体３２０と同様の材料および方法で作製することができる。特に、絶縁体２２２には、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが好ましい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、例えば、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を含む）、分子エピキタシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはＡＬＤ法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。また、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体２２０と絶縁体２２２との界面、および絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
続いて、酸化物２３０ａとなる酸化物２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化物２３０Ｂを順に成膜する。当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。
その後、酸化物２３０Ａ上に、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとなる導電膜２４０Ａを形成する。導電膜２４０Ａには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、２層以上の積層構造としてもよい。続いて、上記と同様の方法によりレジストマスク２９２を形成する（図２７（Ｅ））。
レジストマスク２９２を用いて、導電膜２４０Ａの不要な部分をエッチングにより除去し、島状の導電層２４０Ｂを形成する（図２８（Ａ））。その後、導電層２４０Ｂをマスクとして酸化物２３０Ａ、および酸化物２３０Ｂの不要な部分をエッチングにより除去する。
このとき、同時に絶縁体２２４も、島状に加工してもよい。例えば、バリア性を有する絶縁体２２２をエッチングストッパー膜として用いることで、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚が薄い構造においても、下方にある配線層まで、オーバーエッチングされることを防止することができる。また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚が薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。
その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物２３０ａ、島状の酸化物２３０ｂ、および島状の導電層２４０Ｂの積層構造を形成することができる（図２８（Ｂ））。
続いて、加熱処理を行うことが好ましい（図２８（Ｃ）、図中矢印は加熱処理を表す。）。加熱処理は、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３８０℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不純物である水素を除去することができる。また、酸化物２３０ａの下方に形成された絶縁体から、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。
次に、島状の導電層２４０Ｂ上に上記と同様の方法によりレジストマスク２９４を形成する（図２８（Ｄ））。続いて、導電層２４０Ｂの不要な部分をエッチングにより除去した後、レジストマスク２９４を除去することにより、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成する（図２９（Ａ））。この際、絶縁体２２４、または絶縁体２２２に対して、オーバーエッチングを行うことで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造としてもよい。
なお、ここで、加熱処理を行なってもよい。加熱処理の条件は、図２８（Ｃ）で説明した加熱処理と同等の条件で行えばよい。加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不純物である水素を除去することができる。また、酸化物２３０ａの下方に形成された絶縁体から、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。さらに、酸化性ガスで加熱処理を行う場合、チャネルが形成される領域に、直接酸化性ガスが接することで、効率的に、チャネルが形成される領域の酸素欠損を低減することができる。
続いて、酸化物２３０ｃを成膜する。また、ここで、加熱処理を行なってもよい（図２９（Ｂ）、図中矢印は加熱処理を表す。）。加熱処理の条件は、図２８（Ｃ）で説明した加熱処理と同等の条件で行えばよい。加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不純物である水素を除去することができる。また、酸化物２３０ａの下方に形成された絶縁体から、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。さらに、酸化性ガスで加熱処理を行う場合、チャネルが形成される領域に、直接酸化性ガスが接することで、効率的に、チャネルが形成される領域の酸素欠損を低減することができる。
絶縁体２５０、および導電体２６０となる導電膜２６０Ａを順に成膜する。また、導電膜２６０Ａには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、２層以上の積層構造としてもよい。
例えば、２層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。第１の導電膜は、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため、第１の導電膜をＡＬＤ法等により形成することが好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
続いて、第２の導電膜は、スパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体２５０上に、第１の導電膜を有することで、第２の導電膜の成膜時のダメージが、絶縁体２５０に影響することを抑制することができる。また、ＡＬＤ法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。なお、導電膜２６０Ａを成膜する際に、塩素を含まない成膜ガスを用いて、形成することが好ましい。
次に、導電膜２６０Ａ上に、上記と同様の方法によりレジストマスク２９６を形成する（図２９（Ｃ））。続いて、導電膜２６０Ａの不要な部分をエッチングにより除去することで、導電体２６０を形成した後、レジストマスク２９６を除去する（図３０（Ａ））。
続いて、導電体２６０上に、絶縁体２８０を形成する。絶縁体２８０は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成した後、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
特に、酸素プラズマ処理を行うことが好ましい（図３０（Ｂ）、図中矢印はプラズマ処理を表す。）。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。
酸素プラズマ処理により、絶縁体２８０、および酸化物２３０が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体２８０に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物２３０には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体２８０の過剰な酸素により、酸化物２３０の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理によりまた、絶縁体２８０から、不純物である水素、または水を除去することができる。また、酸化物２３０は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ２００の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する（図３０（Ｃ））。絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることで、容易に絶縁体２８２の下層である絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成することができる。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体２８０に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体２８０の内部まで到達する。イオンが絶縁体２８０に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２８０に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２８０に過剰酸素領域が形成される。
絶縁体２８０に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２８０の過剰な酸素は、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損が補填することができる。ここで、絶縁体２８０と接する導電体２６０、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに、耐酸化性が高い導電体を用いる場合、絶縁体２８０の過剰な酸素は、導電体２６０、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに、吸収されることなく、効率的に酸化物２３０へ供給することができる。したがって、トランジスタ２００の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ２００を作製することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、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４）
本実施の形態においては、先の実施の形態で例示したトランジスタを有する酸化物半導体について、図３４乃至図３９を用いて以下説明を行う。
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体およびｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一種である。
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類されるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図３４（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳでは、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図３４（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３４（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図３４（Ｄ）に示すような回折パターン（制限視野電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図３４（Ｅ）に示す。図３４（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図３４（Ｅ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図３４（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない場合がある。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
図３５（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって観察することができる。
図３５（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
また、図３５（Ｂ）および図３５（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３５（Ｄ）および図３５（Ｅ）は、それぞれ図３５（Ｂ）および図３５（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図３５（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。
図３５（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
図３５（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ ａ−ｂ−ｐｌａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図３６（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）を図３６（Ｂ）に示す。図３６（Ｂ）より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、図３６（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
図３６（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｍｉｃｒｏ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
このように、ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、ペレット（ナノ結晶）間で結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
図３７に、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図３７（Ａ）は電子照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３７（Ｂ）は４．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図３７（Ａ）および図３７（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図３８は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３８より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図３８より、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図３８より、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を２３０ｎｍとした。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３である。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満である。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
＜酸化物半導体のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。
酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。
ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにｎ型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
また、上述の実質的に真性の酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図３９を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図３９は、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
図３９において、ＧＥはゲート電極を、ＧＩはゲート絶縁膜を、ＯＳは酸化物半導体膜を、ＳＤはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図３９は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
また、図３９において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル（εｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯から約３．１ｅＶ離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧（Ｖｇ）が３０Ｖの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯から約３．６ｅＶ離れた位置に形成されるものとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は低くなる。また、図３９中の白丸は電子（キャリア）を表し、図３９中のＸは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
図３９に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位（図中Ｘ）にキャリアがトラップされ、プラス（“＋”）からニュートラル（“０”）に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル（εｆ）よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
また、電子親和力が異なる酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯下端が相対的に高くなる。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位（図３９中Ｘ）も相対的に高くなるため、ゲート絶縁膜のフェルミ準位と、酸化物半導体膜のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる、例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱（Ｇａｔｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＧＢＴともいう）ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
＜回路＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について、図４０、および図４１を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
図４０に示す半導体装置は、トランジスタ３５００、配線３００６を有する点で先の実施の形態で説明した半導体装置と異なる。この場合も先の実施の形態に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジスタ３５００としては上記のトランジスタ２００と同様のトランジスタを用いればよい。
配線３００６は、トランジスタ３５００のゲートと電気的に接続され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの一方はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの他方は配線３００３と電気的に接続される。
＜記憶装置２＞
半導体装置（記憶装置）の変形例について、図４１に示す回路図を用いて説明する。
図４１に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素子４５００および容量素子４６００と、を有する。ここでトランジスタ４１００は、上述のトランジスタ３００と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ４２００乃至４４００は、上述のトランジスタ２００と同様のトランジスタを用いることができる。また、ここで容量素子４５００、および容量素子４６００は、上述の容量素子１００と同様の容量素子を用いることができる。なお、図４１に示す半導体装置は、図４１では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図４１に示す半導体装置は、配線４００１、配線４００３、配線４００５乃至４００９に与える信号または電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。
トランジスタ４１００のソースまたはドレインの一方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４１００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。なお図４１では、トランジスタ４１００の導電型をｐチャネル型として示すが、ｎチャネル型でもよい。
図４１に示す半導体装置は、２つのデータ保持部を有する。例えば第１のデータ保持部は、ノードＦＧ１に接続されるトランジスタ４４００のソースまたはドレインの一方、容量素子４６００の一方の電極、およびトランジスタ４２００のソースまたはドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第２のデータ保持部は、ノードＦＧ２に接続されるトランジスタ４１００のゲート、トランジスタ４２００のソースまたはドレインの他方、トランジスタ４３００のソースまたはドレインの一方、および容量素子４５００の一方の電極の間で電荷を保持する。
トランジスタ４３００のソースまたはドレインの他方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４４００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。トランジスタ４４００のゲートは、配線４００５に接続される。トランジスタ４２００のゲートは、配線４００６に接続される。トランジスタ４３００のゲートは、配線４００７に接続される。容量素子４６００の他方の電極は、配線４００８に接続される。容量素子４５００の他方の電極は、配線４００９に接続される。
トランジスタ４２００乃至４４００は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ４２００乃至４４００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）であることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図４１では、トランジスタ４２００乃至４４００の導電型をｎチャネル型として示すが、ｐチャネル型でもよい。
トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図４１に示す半導体装置は、トランジスタ４１００と、トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００と、を積層して設けることが好ましい。つまり、トランジスタを集積化することで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。
次いで、図４１に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。
最初に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作１とよぶ。）について説明する。なお、以下において、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ１とし、トランジスタ４１００の閾値電圧をＶｔｈとする。
書き込み動作１では、配線４００３をＶＤ１とし、配線４００１を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００５、４００６をハイレベルにする。また配線４００７乃至４００９をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００１の電位が上昇する。またトランジスタ４４００、トランジスタ４２００が導通状態となる。そのため、配線４００１の電位の上昇につれて、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でゲートとソースとの間の電圧（Ｖｇｓ）がトランジスタ４１００の閾値電圧Ｖｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００１、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ１からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ１−Ｖｔｈ」で一定となる。
つまり、配線４００３に与えたＶＤ１は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００１に与えられ、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ１−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。
次に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作２とよぶ。）について説明する。なお、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ２として説明する。
書き込み動作２では、配線４００１をＶＤ２とし、配線４００３を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００７をハイレベルにする。また配線４００５、４００６、４００８、４００９をローレベルにする。トランジスタ４３００を導通状態として配線４００３をローレベルにする。そのため、ノードＦＧ２の電位もローレベルにまで低下し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００３の電位が上昇する。またトランジスタ４３００が導通状態となる。そのため、配線４００３の電位の上昇につれて、ノードＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００３、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ２からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ２−Ｖｔｈ」で一定となる。
つまり、配線４００１に与えたＶＤ２は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００３に与えられ、ノードＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ２−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。このとき、ノードＦＧ１の電位は、トランジスタ４２００、４４００共に非導通状態であり、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」が保持される。
図４１に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線４００９をハイレベルにして、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で４ビットのデータを保持する場合、１６値の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を取り得る。
次いで、図４１に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。
最初に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作１とよぶ。）について説明する。
読み出し動作１では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９をローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位を「ＶＤ２−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ２」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得する。
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ２」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作２で書きこんだ「ＶＤ２」が読み出される。
ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ４３００を導通状態として、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を放電させる。
次に、ノードＦＧ１に保持される電荷をノードＦＧ２に分配し、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧を、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に移す。ここで、配線４００１、４００３をローレベルとする。配線４００６をハイレベルにする。また、配線４００５、配線４００７乃至４００９をローレベルにする。トランジスタ４２００が導通状態となることで、ノードＦＧ１の電荷が、ノードＦＧ２との間で分配される。
ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」から低下する。そのため、容量素子４６００の容量値は、容量素子４５００の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。あるいは、ノードＦＧ１に書きこむ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」は、同じデータを表す電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。
次に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作２とよぶ。）について説明する。
読み出し動作２では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９は、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線４００９をローレベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２を電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ１」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータを取得する。以上が、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ１」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１」が読み出される。
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードＦＧ１およびノードＦＧ２にそれぞれ４ビット（１６値）のデータを保持することで計８ビット（２５６値）のデータを保持することができる。また、図４１においては、第１の層４０２１乃至第３の層４０２３からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。
なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりＶｔｈだけ大きい電圧として読み出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」のＶｔｈを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけることができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したＯＳトランジスタを適用可能な回路構成の一例について、図４２乃至図４５を用いて説明する。
図４２（Ａ）にインバータの回路図を示す。インバータ８００は、入力端子ＩＮに与える信号の論理を反転した信号を出力端子ＯＵＴから出力する。インバータ８００は、複数のＯＳトランジスタを有する。信号ＳＢＧは、ＯＳトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。
図４２（Ｂ）に、インバータ８００の一例を示す。インバータ８００は、ＯＳトランジスタ８１０、およびＯＳトランジスタ８２０を有する。インバータ８００は、ｎチャネル型トランジスタで作製することができるため、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）でインバータ（ＣＭＯＳインバータ）を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。
なおＯＳトランジスタを有するインバータ８００は、Ｓｉトランジスタで構成されるＣＭＯＳ上に配置することもできる。インバータ８００は、ＣＭＯＳの回路に重ねて配置できるため、インバータ８００を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。
ＯＳトランジスタ８１０、８２０は、フロントゲートとして機能する第１ゲートと、バックゲートとして機能する第２ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第１端子と、ソースまたはドレインの他方として機能する第２端子を有する。
ＯＳトランジスタ８１０の第１ゲートは、第２端子に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートは、信号ＳＢＧを供給する配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第１端子は、電圧ＶＤＤを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。
ＯＳトランジスタ８２０の第１ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第１端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２端子は、電圧ＶＳＳを与える配線に接続される。
図４２（Ｃ）は、インバータ８００の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４２（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、信号ＳＢＧの信号波形、およびＯＳトランジスタ８１０（ＦＥＴ８１０）の閾値電圧の変化について示している。
信号ＳＢＧはＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与えることで、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御することができる。
信号ＳＢＧは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ａ、閾値電圧をプラスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ｂを有する。第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ａを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０は閾値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることができる。また、第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０は閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることができる。
前述の説明を可視化するために、図４３（Ａ）には、トランジスタの電気特性の一つである、Ｖｇ−Ｉｄカーブを示す。
上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ａのように大きくすることで、図４３（Ａ）中の破線８４０で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ｂのように小さくすることで、図４３（Ａ）中の実線８４１で表される曲線にシフトさせることができる。図４３（Ａ）に示すように、ＯＳトランジスタ８１０は、信号ＳＢＧを電圧ＶＢＧ＿Ａあるいは電圧ＶＢＧ＿Ｂというように切り替えることで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。
閾値電圧を閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができる。図４３（Ｂ）には、この状態を可視化して示す。図４３（Ｂ）に図示するように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流ＩＢを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態（ＯＮ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。
図４３（Ｂ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れにくい状態とすることができるため、図４２（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３１を急峻に変化させることができる。電圧ＶＤＤを与える配線と、電圧ＶＳＳを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。
また、閾値電圧を閾値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができる。図４３（Ｃ）には、この状態を可視化して示す。図４３（Ｃ）に図示するように、このとき流れる電流ＩＡを少なくとも電流ＩＢよりも大きくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態（ＯＦＦ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。
図４３（Ｃ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れやすい状態とすることができるため、図４２（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３２を急峻に変化させることができる。
なお、信号ＳＢＧによるＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧の制御は、ＯＳトランジスタ８２０の状態が切り替わる以前、すなわち時刻Ｔ１やＴ２よりも前に行うことが好ましい。例えば、図４２（Ｃ）に図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ１よりも前に、閾値電圧ＶＴＨ＿Ａから閾値電圧ＶＴＨ＿ＢにＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図４２（Ｃ）に図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルに切り替わる時刻Ｔ２よりも前に、閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂから閾値電圧ＶＴＨ＿ＡにＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を切り替えることが好ましい。
なお図４２（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮに与える信号に応じて信号ＳＢＧを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図４４（Ａ）に示す。
図４４（Ａ）では、図４２（Ｂ）で示した回路構成に加えて、ＯＳトランジスタ８５０を有する。ＯＳトランジスタ８５０の第１端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。またＯＳトランジスタ８５０の第２端子は、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第１ゲートは、信号ＳＦを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートは、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。
図４４（Ａ）の動作について、図４４（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。
ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御するための電圧は、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ３よりも前に、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成とする。信号ＳＦをハイレベルとしてＯＳトランジスタ８５０をオン状態とし、ノードＮＢＧに閾値電圧を制御するための電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える。
ノードＮＢＧが電圧ＶＢＧ＿Ｂとなった後は、ＯＳトランジスタ８５０をオフ状態とする。ＯＳトランジスタ８５０は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで、ノードＮＢＧを非常にフローティング状態に近い状態にして、一旦ノードＮＢＧに保持させた電圧ＶＢＧ＿Ｂを保持することができる。そのため、ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える動作の回数が減るため、電圧ＶＢＧ＿Ｂの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。
なお図４２（Ｂ）および図４４（Ａ）の回路構成では、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子ＩＮに与える信号を基に生成し、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図４５（Ａ）に示す。
図４５（Ａ）では、図４２（Ｂ）で示した回路構成において、入力端子ＩＮとＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートとの間にＣＭＯＳインバータ８６０を有する。ＣＭＯＳインバータ８６０の入力端子は、入力端子ＩＮに接続される。ＣＭＯＳインバータ８６０の出力端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。
図４５（Ａ）の動作について、図４５（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。図４５（Ｂ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、ＣＭＯＳインバータ８６０の出力波形ＩＮ＿Ｂ、およびＯＳトランジスタ８１０（ＦＥＴ８１０）の閾値電圧の変化について示している。
入力端子ＩＮに与える信号の論理を反転した信号である出力波形ＩＮ＿Ｂは、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図４２（Ａ）乃至（Ｃ）で説明したように、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御できる。例えば、図４５（Ｂ）における時刻Ｔ４となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはローレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。
また図４５（Ｂ）における時刻Ｔ５となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはハイレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。
以上説明したように本実施の形態の構成では、ＯＳトランジスタを有するインバータにおける、バックゲートの電圧を入力端子ＩＮの信号の論理にしたがって切り替える。当該構成とすることで、ＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することができる。入力端子ＩＮに与える信号によってＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することで、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に変化させることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（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ＯＳトランジスタを有する複数の回路を有する半導体装置の一例について、図４６乃至図５２を用いて説明する。
図４６（Ａ）は、半導体装置９００のブロック図である。半導体装置９００は、電源回路９０１、回路９０２、電圧生成回路９０３、回路９０４、電圧生成回路９０５および回路９０６を有する。
電源回路９０１は、基準となる電圧ＶＯＲＧを生成する回路である。電圧ＶＯＲＧは、単一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧ＶＯＲＧは、半導体装置９００の外部から与えられる電圧Ｖ０を基に生成することができる。半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に電圧ＶＯＲＧを生成できる。そのため半導体装置９００は、外部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。
回路９０２、９０４および９０６は、異なる電源電圧で動作する回路である。例えば回路９０２の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ）とを基に印加される電圧である。また、例えば回路９０４の電源電圧は、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳ（ＶＰＯＧ＞ＶＯＲＧ）とを基に印加される電圧である。また、例えば回路９０６の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳと電圧ＶＮＥＧ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ＞ＶＮＥＧ）とを基に印加される電圧である。なお電圧ＶＳＳは、グラウンド（ＧＮＤ）と等電位とすれば、電源回路９０１で生成する電圧の種類を削減できる。
電圧生成回路９０３は、電圧ＶＰＯＧを生成する回路である。電圧生成回路９０３は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＰＯＧを生成できる。そのため、回路９０４を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
電圧生成回路９０５は、電圧ＶＮＥＧを生成する回路である。電圧生成回路９０５は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＮＥＧを生成できる。そのため、回路９０６を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
図４６（Ｂ）は電圧ＶＰＯＧで動作する回路９０４の一例、図４６（Ｃ）は回路９０４を動作させるための信号の波形の一例である。
図４６（Ｂ）では、トランジスタ９１１を示している。トランジスタ９１１のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳを基に生成される。当該信号は、トランジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧ＶＰＯＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳとする。電圧ＶＰＯＧは、図４６（Ｃ）に図示するように、電圧ＶＯＲＧより大きい。そのため、トランジスタ９１１は、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を導通状態とする動作を、より確実に行うことができる。その結果、回路９０４は、誤動作が低減された回路とすることができる。
図４６（Ｄ）は電圧ＶＮＥＧで動作する回路９０６の一例、図４６（Ｅ）は回路９０６を動作させるための信号の波形の一例である。
図４６（Ｄ）では、バックゲートを有するトランジスタ９１２を示している。トランジスタ９１２のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳを基にして生成される。当該信号は、トランジスタ９１２を導通状態とする動作時に電圧ＶＯＲＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳを基に生成される。また、トランジスタ９１２のバックゲートに与える信号は、電圧ＶＮＥＧを基に生成される。電圧ＶＮＥＧは、図４６（Ｅ）に図示するように、電圧ＶＳＳ（ＧＮＤ）より小さい。そのため、トランジスタ９１２の閾値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ９１２をより確実に非導通状態とすることができ、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を流れる電流を小さくできる。その結果、回路９０６は、誤動作が低減され、且つ低消費電力化が図られた回路とすることができる。
なお電圧ＶＮＥＧは、トランジスタ９１２のバックゲートに直接与える構成としてもよい。あるいは、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＮＥＧを基に、トランジスタ９１２のゲートに与える信号を生成し、当該信号をトランジスタ９１２のバックゲートに与える構成としてもよい。
また図４７（Ａ）、（Ｂ）には、図４６（Ｄ）、（Ｅ）の変形例を示す。
図４７（Ａ）に示す回路図では、電圧生成回路９０５と、回路９０６と、の間に制御回路９２１によって導通状態が制御できるトランジスタ９２２を示す。トランジスタ９２２は、ｎチャネル型のＯＳトランジスタとする。制御回路９２１が出力する制御信号ＳＢＧは、トランジスタ９２２の導通状態を制御する信号である。また回路９０６が有するトランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂは、トランジスタ９２２と同じＯＳトランジスタである。
図４７（Ｂ）のタイミングチャートには、制御信号ＳＢＧの電位の変化を示し、トランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂのバックゲートの電位の状態をノードＮＢＧの電位の変化で示す。制御信号ＳＢＧがハイレベルのときにトランジスタ９２２が導通状態となり、ノードＮＢＧが電圧ＶＮＥＧとなる。その後、制御信号ＳＢＧがローレベルのときにノードＮＢＧが電気的にフローティングとなる。トランジスタ９２２は、ＯＳトランジスタであるため、オフ電流が小さい。そのため、ノードＮＢＧが電気的にフローティングであっても、一旦与えた電圧ＶＮＥＧを保持することができる。
また図４８（Ａ）には、上述した電圧生成回路９０３に適用可能な回路構成の一例を示す。図４８（Ａ）に示す電圧生成回路９０３は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する５段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとを基に印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧ＶＯＲＧの５倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。
また図４８（Ｂ）には、上述した電圧生成回路９０５に適用可能な回路構成の一例を示す。図４８（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する４段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとを基に印加される電圧とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、グラウンド、すなわち電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの４倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＮＥＧを得ることができる。
なお上述した電圧生成回路９０３の回路構成は、図４８（Ａ）で示す回路図の構成に限らない。電圧生成回路９０３の変形例を図４９（Ａ）乃至（Ｃ）、図５０（Ａ）、（Ｂ）に示す。
図４９（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４、およびインバータＩＮＶ１を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ１を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧ＶＯＲＧの４倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４９（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
また図４９（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４、キャパシタＣ１５、Ｃ１６、およびインバータＩＮＶ２を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ２を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧ＶＯＲＧの２倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４９（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１５、Ｃ１６に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
また図４９（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩ１１、トランジスタＭ１５、ダイオードＤ６、およびキャパシタＣ１７を有する。トランジスタＭ１５は、制御信号ＥＮによって、導通状態が制御される。制御信号ＥＮによって、電圧ＶＯＲＧが昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図４９（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩ１１を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行うことができる。
また図５０（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ｄは、図４８（Ａ）に示す電圧生成回路９０３のダイオードＤ１乃至Ｄ５をダイオード接続したトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０に置き換えた構成に相当する。図５０（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ｄは、トランジスタＭ１６乃至Ｍ２０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
また図５０（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｅは、図５０（Ａ）に示す電圧生成回路９０３ＤのトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０を、バックゲートを有するトランジスタＭ２１乃至Ｍ２５に置き換えた構成に相当する。図５０（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｅは、バックゲートにゲートと同じ電圧を与えることができるため、トランジスタを流れる電流量を増やすことができる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
なお電圧生成回路９０３の変形例は、図４８（Ｂ）に示した電圧生成回路９０５にも適用可能である。この場合の回路図の構成を図５１（Ａ）乃至（Ｃ）、図５２（Ａ）、（Ｂ）に示す。図５１（Ａ）に示す電圧生成回路９０５Ａは、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの３倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。また図５１（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５Ｂは、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの２倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。
図５１（Ａ）乃至（Ｃ）、図５２（Ａ）、（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５Ａ乃至９０５Ｅでは、図４９（Ａ）乃至（Ｃ）、図５０（Ａ）、（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ａ乃至９０３Ｅにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子の配置を変更した構成に相当する。図５１（Ａ）乃至（Ｃ）、図５２（Ａ）、（Ｂ）に示す、電圧生成回路９０５Ａ乃至９０５Ｅでは、効率的に電圧ＶＳＳから電圧ＶＮＥＧへの降圧を図ることができる。
以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電圧を内部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電圧の種類を削減できる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態８）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
＜ＣＰＵの構成＞
図５３に示す半導体装置４００は、ＣＰＵコア４０１、パワーマネージメントユニット４２１および周辺回路４２２を有する。パワーマネージメントユニット４２１は、パワーコントローラ４０２、およびパワースイッチ４０３を有する。周辺回路４２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ４０４、バスインターフェース（ＢＵＳ Ｉ／Ｆ）４０５、及びデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ Ｉ／Ｆ）４０６を有する。ＣＰＵコア４０１は、データバス４２３、制御装置４０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）４０８、パイプラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ４１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）４１１、及びレジスタファイル４１２を有する。ＣＰＵコア４０１と、キャッシュ４０４等の周辺回路４２２とのデータのやり取りは、データバス４２３を介して行われる。
半導体装置（セル）は、パワーコントローラ４０２、制御装置４０７をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。
半導体装置（セル）に、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、該半導体装置（セル）を半導体装置４００に適用することで、小型の半導体装置４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
制御装置４０７は、ＰＣ４０８、パイプラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ４１０、ＡＬＵ４１１、レジスタファイル４１２、キャッシュ４０４、バスインターフェース４０５、デバッグインターフェース４０６、及びパワーコントローラ４０２の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
ＡＬＵ４１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
キャッシュ４０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ４０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図５３では図示していないが、キャッシュ４０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
パイプラインレジスタ４０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
レジスタファイル４１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。
パイプラインレジスタ４１０は、ＡＬＵ４１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
バスインターフェース４０５は、半導体装置４００と半導体装置４００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース４０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置４００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
パワースイッチ４０３は、半導体装置４００が有する、パワーコントローラ４０２以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ４０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ４０２はパワースイッチ４０３の動作を制御する機能を有する。
上記構成を有する半導体装置４００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
まず、ＣＰＵコア４０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ４０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア４０１からパワーコントローラ４０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置４００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置４００が有するパワーコントローラ４０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ４０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ４０２に入力されることで、半導体装置４００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ４０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置４０７における命令の実行が再開される。
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。
パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。
ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ）。バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。
バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図５４を用いて説明する。
図５４に示す半導体装置５００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置５００は、第１の記憶回路５０１と、第２の記憶回路５０２と、第３の記憶回路５０３と、読み出し回路５０４と、を有する。半導体装置５００には、電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置５００の構成例について説明するものとする。
第１の記憶回路５０１は、半導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路５０１からは、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路５０１は、半導体装置５００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第１の記憶回路５０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。
第２の記憶回路５０２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路５０３は、第２の記憶回路５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読み出し回路５０４は、第２の記憶回路５０２または第３の記憶回路５０３に保持されたデータを読み出して第１の記憶回路５０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。
特に、第３の記憶回路５０３は、半導体装置５００に電源電圧が供給されてない期間においても、第２の記憶回路５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。
図５４に示すように、第２の記憶回路５０２はトランジスタ５１２と容量素子５１９とを有する。第３の記憶回路５０３はトランジスタ５１３と、トランジスタ５１５と、容量素子５２０とを有する。読み出し回路５０４はトランジスタ５１０と、トランジスタ５１８と、トランジスタ５０９と、トランジスタ５１７と、を有する。
トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子５１９に充放電する機能を有する。トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子５１９に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ５１２が、結晶性を有するシリコン（好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
トランジスタ５１３は、容量素子５１９に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ５１５は、トランジスタ５１３が導通状態であるときに、配線５４４の電位に応じた電荷を容量素子５２０に充放電する機能を有する。トランジスタ５１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ５１５が、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ５１２のソース及びドレインの一方は、第１の記憶回路５０１に接続されている。トランジスタ５１２のソース及びドレインの他方は、容量素子５１９の一方の電極、トランジスタ５１３のゲート、及びトランジスタ５１８のゲートに接続されている。容量素子５１９の他方の電極は、配線５４２に接続されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの一方は、配線５４４に接続されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１５のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５１５のソース及びドレインの他方は、容量素子５２０の一方の電極、及びトランジスタ５１０のゲートに接続されている。容量素子５２０の他方の電極は、配線５４３に接続されている。トランジスタ５１０のソース及びドレインの一方は、配線５４１に接続されている。トランジスタ５１０のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１８のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５０９のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５０９のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路５０１に接続されている。トランジスタ５１７のソース及びドレインの他方は、配線５４０に接続されている。また、図５４においては、トランジスタ５０９のゲートは、トランジスタ５１７のゲートと接続されているが、トランジスタ５０９のゲートは、必ずしもトランジスタ５１７のゲートと接続されていなくてもよい。
トランジスタ５１５に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ５１５のオフ電流が小さいために、半導体装置５００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ５１５のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置５００は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態９）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の一例について説明する。
＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
図５５（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２２００の例を示す平面図である。撮像装置２２００は、画素部２２１０と、画素部２２１０を駆動するための周辺回路２２６０と、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０と、周辺回路２２９０と、を有する。画素部２２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２２１１を有する。周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０は、それぞれ複数の画素２２１１に接続し、複数の画素２２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２２００は、光源２２９１を有することが好ましい。光源２２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２２１０を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路の一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
また、図５５（Ｂ）に示すように、撮像装置２２００が有する画素部２２１０において、画素２２１１を傾けて配置してもよい。画素２２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
撮像装置２２００が有する１つの画素２２１１を複数の副画素２２１２で構成し、それぞれの副画素２２１２に特定の波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図５６（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２２１１の一例を示す平面図である。図５６（Ａ）に示す画素２２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素２２１２（副画素２２１２Ｒ、副画素２２１２Ｇ、および副画素２２１２Ｂ）は、配線２２３１、配線２２４７、配線２２４８、配線２２４９、配線２２５０と電気的に接続される。また、副画素２２１２Ｒ、副画素２２１２Ｇ、および副画素２２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２２１１に接続された配線２２４８および配線２２４９を、それぞれ配線２２４８［ｎ］および配線２２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２２１１に接続された配線２２５３を、配線２２５３［ｍ］と記載する。なお、図５６（Ａ）において、ｍ列目の画素２２１１が有する副画素２２１２Ｒに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｒ、副画素２２１２Ｇに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２２１２Ｂに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２２００は、隣接する画素２２１１の、同じ波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図５６（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２２１１が有する副画素２２１２と、該画素２２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２２１１が有する副画素２２１２の接続例を示す。図５６（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｒがスイッチ２２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｇがスイッチ２２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｂがスイッチ２２０３を介して接続されている。
なお、副画素２２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンタ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２２１１に３種類の異なる波長域の光を検出する副画素２２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２を有する画素２２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンタ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２を有する画素２２１１を用いてもよい。１つの画素２２１１に４種類の異なる波長域の光を検出する副画素２２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図５６（Ａ）において、赤の波長域の光を検出する副画素２２１２、緑の波長域の光を検出する副画素２２１２、および青の波長域の光を検出する副画素２２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２２１１に設ける副画素２２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域の光を検出する副画素２２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２２００を実現することができる。
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図５７の断面図を用いて、画素２２１１、フィルタ２２５４、レンズ２２５５の配置例を説明する。レンズ２２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図５７（Ａ）に示すように、画素２２１１に形成したレンズ２２５５、フィルタ２２５４（フィルタ２２５４Ｒ、フィルタ２２５４Ｇおよびフィルタ２２５４Ｂ）、および画素回路２２３０等を通して光２２５６を光電変換素子２２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２２５６の一部が配線２２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図５７（Ｂ）に示すように光電変換素子２２２０側にレンズ２２５５およびフィルタ２２５４を配置して、光電変換素子２２２０が光２２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２２０側から光２２５６を光電変換素子２２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２２００を提供することができる。
図５７に示す光電変換素子２２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
例えば、光電変換素子２２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２２０を実現できる。
ここで、撮像装置２２００が有する１つの画素２２１１は、図５６に示す副画素２２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２２１２を有してもｆよい。
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。各トランジスタは上記実施の形態に示すものと同様のトランジスタを用いることができる。
図５８は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図５８に示す撮像装置は、シリコン基板２３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ２３５１、トランジスタ２３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３、ならびにシリコン基板２３００に設けられたフォトダイオード２３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード２３６０は、種々のプラグ２３７０および配線２３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード２３６０のアノード２３６１は、低抵抗領域２３６３を介してプラグ２３７０と電気的に接続を有する。
また撮像装置は、シリコン基板２３００に設けられたトランジスタ２３５１およびフォトダイオード２３６０を有する層２３１０と、層２３１０と接して設けられ、配線２３７１を有する層２３２０と、層２３２０と接して設けられ、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３を有する層２３３０と、層２３３０と接して設けられ、配線２３７２および配線２３７３を有する層２３４０を備えている。
なお図５８の断面図の一例では、シリコン基板２３００において、トランジスタ２３５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード２３６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード２３６０の受光面をトランジスタ２３５１が形成された面と同じとすることもできる。
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層２３１０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層２３１０を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
なお、シリコン基板２３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板２３００に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。
ここで、トランジスタ２３５１およびフォトダイオード２３６０を有する層２３１０と、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３を有する層２３３０と、の間には絶縁体２３８０が設けられる。ただし、絶縁体２３８０の位置は限定されない。また、絶縁体２３８０の下に絶縁体２３７９が設けられ、絶縁体２３８０の上に絶縁体２３８１が設けられる。
絶縁体２３７９乃至絶縁体２３８１に設けられた開口に、導電体２３９０ａ乃至導電体２３９０ｅが設けられている。導電体２３９０ａ、導電体２３９０ｂおよび導電体２３９０ｅは、プラグおよび配線として機能する。また、導電体２３９０ｃは、トランジスタ２３５３のバックゲートとして機能する。また、導電体２３９０ｄは、トランジスタ２３５２のバックゲートとして機能する。
トランジスタ２３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ２３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体２３８０を設けることが好ましい。絶縁体２３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ２３５１の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体２３８０より下層から、絶縁体２３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を向上させることができる。さらに、導電体２３９０ａ、導電体２３９０ｂおよび導電体２３９０ｅが形成されることにより、絶縁体２３８０に形成されているビアホールを通じて上層に水素が拡散することも抑制できるため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を向上させることができる。
また、図５８の断面図において、層２３１０に設けるフォトダイオード２３６０と、層２３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
また、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１０）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係る半導体ウエハ、チップおよび電子部品について説明する。
＜半導体ウエハ、チップ＞
図５９（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置や、ＣＰＵ、ＲＦタグ、またはイメージセンサなどを設けることができる。
複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７１１から切り出すことができる。図５９（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。
また、分離領域７１３に導電層や半導体層を設けてもよい。分離領域７１３に導電層や半導体層を設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程の歩留まり低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に流しながら行なわれる。分離領域７１３に導電層や半導体層を設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。
分離領域７１３に設ける半導体層としては、バンドギャップが２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．７ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の材料を用いることが好ましい。このような材料を用いると、蓄積された電荷をゆっくりと放電することができるため、ＥＳＤによる電荷の急激な移動が抑えられ、静電破壊を生じにくくすることができる。
＜電子部品＞
チップ７１５を電子部品に適用する例について、図６０を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。
電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。
図６０（Ａ）に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において上記実施の形態に示した半導体装置を有する素子基板が完成した後、該素子基板の裏面（半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップＳ７２１）。研削により素子基板を薄くすることで、素子基板の反りなどを低減し、電子部品の小型化を図ることができる。
次に、素子基板を複数のチップ（チップ７１５）に分離する「ダイシング工程」を行う（ステップＳ７２２）。そして、分離したチップを個々ピックアップしてリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接合は、樹脂による接合や、テープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップを接合してもよい。
次いで、リードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。
ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モールド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップに内蔵される回路部やチップとリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分や埃による特性の劣化（信頼性の低下）を低減することができる。
次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。
次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否や動作不良の有無などを調べる「検査工程」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する（ステップＳ７２９）。
また、完成した電子部品の斜視模式図を図６０（Ｂ）に示す。図６０（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図６０（Ｂ）に示す電子部品７５０は、リード７５５および半導体装置７５３を示している。半導体装置７５３としては、上記実施の形態に示した半導体装置などを用いることができる。
図６０（Ｂ）に示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このような電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７５４）が完成する。完成した実装基板７５４は、電子機器などに用いられる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１１）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図６１に示す。
図６１（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体１９０１、筐体１９０２、表示部１９０３、表示部１９０４、マイクロフォン１９０５、スピーカー１９０６、操作キー１９０７、スタイラス１９０８等を有する。なお、図６１（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部１９０３と表示部１９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図６１（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体１９１１、第２筐体１９１２、第１表示部１９１３、第２表示部１９１４、接続部１９１５、操作キー１９１６等を有する。第１表示部１９１３は第１筐体１９１１に設けられており、第２表示部１９１４は第２筐体１９１２に設けられている。そして、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２とは、接続部１９１５により接続されており、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２の間の角度は、接続部１９１５により変更が可能である。第１表示部１９１３における映像を、接続部１９１５における第１筐体１９１１と第２筐体１９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部１９１３および第２表示部１９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図６１（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体１９２１、表示部１９２２、キーボード１９２３、ポインティングデバイス１９２４等を有する。
図６１（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体１９３１、冷蔵室用扉１９３２、冷凍室用扉１９３３等を有する。
図６１（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体１９４１、第２筐体１９４２、表示部１９４３、操作キー１９４４、レンズ１９４５、接続部１９４６等を有する。操作キー１９４４およびレンズ１９４５は第１筐体１９４１に設けられており、表示部１９４３は第２筐体１９４２に設けられている。そして、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２とは、接続部１９４６により接続されており、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２の間の角度は、接続部１９４６により変更が可能である。表示部１９４３における映像を、接続部１９４６における第１筐体１９４１と第２筐体１９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図６１（Ｆ）は自動車であり、車体１９５１、車輪１９５２、ダッシュボード１９５３、ライト１９５４等を有する。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
１００ 容量素子
１１０ 絶縁体
１１２ 導電体
１１６ 導電体
１３０ 絶縁体
１５０ 絶縁体
２００ トランジスタ
２０５ 導電体
２０５ａ 導電体
２０５Ａ 導電体
２０５ｂ 導電体
２０５Ｂ 導電体
２１０ 絶縁体
２１２ 絶縁体
２１３ 絶縁体
２１４ 絶縁体
２１６ 絶縁体
２１８ 導電体
２１８ａ 導電体
２１８ｂ 導電体
２１８ｃ 導電体
２２０ 絶縁体
２２２ 絶縁体
２２４ 絶縁体
２３０ 酸化物
２３０ａ 酸化物
２３０Ａ 酸化物
２３０ｂ 酸化物
２３０Ｂ 酸化物
２３０ｃ 酸化物
２３０ｄ 酸化物
２４０ａ 導電体
２４０Ａ 導電膜
２４０ｂ 導電体
２４０Ｂ 導電層
２４１ａ 導電体
２４１ｂ 導電体
２４４ 導電体
２４４ａ 導電体
２４４Ａ 導電膜
２４４ｂ 導電体
２４４Ｂ 導電膜
２４４ｃ 導電体
２４４ｄ 導電体
２４６ 導電体
２５０ 絶縁体
２６０ 導電体
２６０ａ 導電体
２６０Ａ 導電膜
２６０ｂ 導電体
２６０ｃ 導電体
２７０ 絶縁体
２７１ バリア層
２７９ 絶縁体
２８０ 絶縁体
２８１ バリア層
２８１ａ バリア層
２８１Ａ バリア膜
２８１ｂ バリア層
２８１ｃ バリア層
２８１ｄ バリア層
２８２ 絶縁体
２８５ 絶縁体
２８６ 絶縁体
２９０ レジストマスク
２９２ レジストマスク
２９４ レジストマスク
２９６ レジストマスク
３００ トランジスタ
３１１ 基板
３１２ 半導体領域
３１４ 絶縁体
３１６ 導電体
３１８ａ 低抵抗領域
３１８ｂ 低抵抗領域
３２０ 絶縁体
３２２ 絶縁体
３２４ 絶縁体
３２６ 絶縁体
３２８ 導電体
３２８ａ 導電体
３２８ｂ 導電体
３２８ｃ 導電体
３３０ 導電体
３３０ａ 導電体
３３０ｂ 導電体
３３０ｃ 導電体
３５０ 絶縁体
３５２ 絶縁体
３５４ 絶縁体
３５６ 導電体
３５６ａ 導電体
３５６ｂ 導電体
３５６ｃ 導電体
３５８ 絶縁体
４００ 半導体装置
４０１ ＣＰＵコア
４０２ パワーコントローラ
４０３ パワースイッチ
４０４ キャッシュ
４０５ バスインターフェース
４０６ デバッグインターフェース
４０７ 制御装置
４０８ ＰＣ
４０９ パイプラインレジスタ
４１０ パイプラインレジスタ
４１１ ＡＬＵ
４１２ レジスタファイル
４２１ パワーマネージメントユニット
４２２ 周辺回路
４２３ データバス
５００ 半導体装置
５０１ 記憶回路
５０２ 記憶回路
５０３ 記憶回路
５０４ 回路
５０９ トランジスタ
５１０ トランジスタ
５１２ トランジスタ
５１３ トランジスタ
５１５ トランジスタ
５１７ トランジスタ
５１８ トランジスタ
５１９ 容量素子
５２０ 容量素子
５４０ 配線
５４１ 配線
５４２ 配線
５４３ 配線
５４４ 配線
７１１ 基板
７１２ 回路領域
７１３ 分離領域
７１４ 分離線
７１５ チップ
７５０ 電子部品
７５２ プリント基板
７５３ 半導体装置
７５４ 実装基板
７５５ リード
８００ インバータ
８１０ ＯＳトランジスタ
８２０ ＯＳトランジスタ
８３１ 信号波形
８３２ 信号波形
８４０ 破線
８４１ 実線
８５０ ＯＳトランジスタ
８６０ ＣＭＯＳインバータ
９００ 半導体装置
９０１ 電源回路
９０２ 回路
９０３ 電圧生成回路
９０３Ａ 電圧生成回路
９０３Ｂ 電圧生成回路
９０３Ｃ 電圧生成回路
９０３Ｄ 電圧生成回路
９０３Ｅ 電圧生成回路
９０４ 回路
９０５ 電圧生成回路
９０５Ａ 電圧生成回路
９０５Ｅ 電圧生成回路
９０６ 回路
９１１ トランジスタ
９１２ トランジスタ
９１２Ａ トランジスタ
９１２Ｂ トランジスタ
９２１ 制御回路
９２２ トランジスタ
１９０１ 筐体
１９０２ 筐体
１９０３ 表示部
１９０４ 表示部
１９０５ マイクロフォン
１９０６ スピーカー
１９０７ 操作キー
１９０８ スタイラス
１９１１ 筐体
１９１２ 筐体
１９１３ 表示部
１９１４ 表示部
１９１５ 接続部
１９１６ 操作キー
１９２１ 筐体
１９２２ 表示部
１９２３ キーボード
１９２４ ポインティングデバイス
１９３１ 筐体
１９３２ 冷蔵室用扉
１９３３ 冷凍室用扉
１９４１ 筐体
１９４２ 筐体
１９４３ 表示部
１９４４ 操作キー
１９４５ レンズ
１９４６ 接続部
１９５１ 車体
１９５２ 車輪
１９５３ ダッシュボード
１９５４ ライト
２２００ 撮像装置
２２０１ スイッチ
２２０２ スイッチ
２２０３ スイッチ
２２１０ 画素部
２２１１ 画素
２２１２ 副画素
２２１２Ｂ 副画素
２２１２Ｇ 副画素
２２１２Ｒ 副画素
２２２０ 光電変換素子
２２３０ 画素回路
２２３１ 配線
２２４７ 配線
２２４８ 配線
２２４９ 配線
２２５０ 配線
２２５３ 配線
２２５４ フィルタ
２２５４Ｂ フィルタ
２２５４Ｇ フィルタ
２２５４Ｒ フィルタ
２２５５ レンズ
２２５６ 光
２２５７ 配線
２２６０ 周辺回路
２２７０ 周辺回路
２２８０ 周辺回路
２２９０ 周辺回路
２２９１ 光源
２３００ シリコン基板
２３１０ 層
２３２０ 層
２３３０ 層
２３４０ 層
２３５１ トランジスタ
２３５２ トランジスタ
２３５３ トランジスタ
２３６０ フォトダイオード
２３６１ アノード
２３６３ 低抵抗領域
２３７０ プラグ
２３７１ 配線
２３７２ 配線
２３７３ 配線
２３７９ 絶縁体
２３８０ 絶縁体
２３８１ 絶縁体
２３９０ａ 導電体
２３９０ｂ 導電体
２３９０ｃ 導電体
２３９０ｄ 導電体
２３９０ｅ 導電体
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３００６ 配線
３２００ トランジスタ
３５００ トランジスタ
４００１ 配線
４００３ 配線
４００５ 配線
４００６ 配線
４００７ 配線
４００８ 配線
４００９ 配線
４０２１ 層
４０２３ 層
４１００ トランジスタ
４２００ トランジスタ
４３００ トランジスタ
４４００ トランジスタ
４５００ 容量素子
４６００ 容量素子

Claims (2)

  1. 第１のトランジスタと、
    前記第１のトランジスタ上に位置し、酸素及び水素に対してバリア性を有する第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上に位置し、酸化物半導体を有する第２のトランジスタと、
    前記第２のトランジスタ上に位置し、過剰酸素領域を有する第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の容量素子と、を有し、
    前記容量素子は、一対の電極の間に、誘電体として、酸素及び水素に対してバリア性を有する第３の絶縁体を有し、
    前記第２のトランジスタが設けられた領域の外縁において、前記第２の絶縁体及び前記第１の絶縁体に設けられた開口を介して、前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体と接する領域を有し、
    前記第２のトランジスタは、前記第１の絶縁体、前記第２の絶縁体及び前記第３の絶縁体により包み込まれていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の絶縁体及び前記第３の絶縁体は、酸化アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
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