JP7337777B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、半導体装置、および半導体装置の作製方法に適用される、金属を用いた配線、およびプラグの形成方法に関する。
なお、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得る装置全般を指す。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。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、またはマニュファクチャに関するものである。
半導体装置の高集積化が進むに伴い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増大する傾向にあり、多層配線構造が検討されている。また、多層配線層間を接続するために、ビアホールやコンタクトホール等に導電体が埋め込まれたプラグが形成されている。
例えば、半導体装置における多層配線および配線層間の接続には、導電体を用い、ＣＭＰ技術により不要な導電体を除去することで埋め込みプラグ構造を作製する方法が用いられている。
さらに、半導体装置において、集積度の向上に伴い、配線やそのコンタクトホールの開口径などの寸法の微細化が要求されている。よって、高微細化であっても配線間の導通不良が生じないように、良好な配線間の接続構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１は、配線の形成領域に生じる凹凸をガスイオンの照射によって平滑化することによって、配線のカバレッジを向上させている。
特開２００９－５４８７９号公報
本発明の一態様は、高微細化された半導体装置において、半導体素子と配線との間、または配線間の導通不良を抑制することを課題の一つとする。本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置において、トランジスタの電気特性、および信頼性が、安定した半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
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の絶縁体、第２の絶縁体、第１の導電体、第２の導電体、および半導体層、を有し、第１の絶縁体は、半導体層を露出する開口部を有し、第１の導電体は、開口部の底面に、半導体層と接して配置され、第２の絶縁体は、第１の導電体の上面および開口部内の側面と接して配置され、第２の導電体は、第１の導電体の上面と接し、第２の絶縁体を介して開口部内に配置され、第２の絶縁体は、ハフニウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物、またはアルミニウムまたはシリコンを含む窒化物を含む半導体装置である。
上記において、半導体層は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する。
本発明の一態様は、第１の絶縁体、第２の絶縁体、第１の導電体、第２の導電体、および第３の導電体、を有し、第１の絶縁体は、第３の導電体を露出する開口部を有し、第１の導電体は、開口部の底面に、第３の導電体と接して配置され、第２の絶縁体は、酸素に対してバリア性を有し、かつ、第１の導電体の上面および開口部内の側面と接して配置され、第２の導電体は、第１の導電体の上面と接し、第２の絶縁体を介して開口部内に配置され、第２の絶縁体は、ハフニウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物、またはアルミニウムまたはシリコンを含む窒化物を含む半導体装置である。
上記において、第１の導電体は、難酸化性であることが好ましい。
上記において、第１の導電体は、第２の導電体よりも、投影面積が大きいことが好ましい。
上記において、第１の絶縁体は過剰酸素を有し、第２の絶縁体は酸素に対するバリア性を有することが好ましい。
また、本発明の一態様により、半導体素子と配線との間、または配線間の導通不良が抑制された半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。
本発明の一態様により、トランジスタを有する半導体装置において、トランジスタの電気特性、および信頼性が、安定した半導体装置を提供することができる。発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
本発明の一態様により、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置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。
（Ａ）、（Ｅ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｆ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）乃至（Ｆ）本発明の一態様に係る半導体装置作製方法を説明する図。 （Ａ）乃至（Ｆ）本発明の一態様に係る半導体装置作製方法を説明する図。 （Ａ）乃至（Ｆ）本発明の一態様に係る半導体装置作製方法を説明する図。 （Ａ）乃至（Ｆ）本発明の一態様に係る半導体装置作製方法を説明する図。 （Ａ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。（Ｂ）本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す斜視図。 （Ａ）乃至（Ｈ）本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 （Ａ）、（Ｂ）本発明の一態様に係る半導体装置の模式図。 （Ａ）乃至（Ｅ）本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ１）、（Ｅ２）、（Ｆ）本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
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、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）の間にチャネルが形成される領域を有しており、ドレインとチャネルが形成される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、チャネルが形成される領域とは、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。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
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。従って、－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。従って、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。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物、または酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
また、本明細書等において、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、ゲート電圧が０Ｖのときにオン状態であることをいう。例えば、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、トランジスタのゲートに与える電圧（Ｖｇ）が０Ｖの際に、ドレインとソースとの間に電流（Ｉｄ）が流れる電気特性をさす場合がある。
本明細書等において、酸化物半導体は、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）の一種である。金属酸化物とは、金属元素を有する酸化物をいう。金属酸化物は、組成や形成方法によって絶縁性、半導体性、導電性を示す場合がある。半導体性を示す金属酸化物を、金属酸化物半導体または酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）と呼ぶ。また、絶縁性を示す金属酸化物を、金属酸化物絶縁体または酸化物絶縁体と呼ぶ。また、導電性を示す金属酸化物を、金属酸化物導電体または酸化物導電体と呼ぶ。即ち、トランジスタのチャネル形成領域などに用いる金属酸化物を、酸化物半導体と呼びかえることができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１乃至図１１を用いて、本発明の一態様である半導体装置について説明する。
＜半導体装置の構成例１＞
図１は、本発明の一態様である複数のトランジスタを有する半導体装置の一領域を抜き出したものである。図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する領域の上面図を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に一点鎖線Ａ５－Ａ６で示す部位の断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に一点鎖線Ａ１－Ａ２で示す部位の断面図である。また、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）に一点鎖線Ａ３－Ａ４で示す部位の断面図である。なお、図１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。
トランジスタの微細化に伴い、トランジスタと電気的に接続するプラグ、または配線に用いる導電体も微細化が必要である。一方、プラグ、または配線は、層間膜等に含まれる酸素により酸化し、高抵抗化する場合がある。プラグまたは配線が高抵抗化することで、半導体装置の動作速度の低下、または消費電力の増加などの原因となる。特に、プラグ、または配線が微細化されている場合、その影響は顕著である。
そこで、本発明の一態様である半導体装置は、トランジスタ２００と、トランジスタ２００と電気的に接続する導電体２４４ｓと、導電体２４４ｓ上の導電体２４６ｓおよび絶縁体２７６ｓと、トランジスタ２００と電気的に接続する導電体２４４ｄと、導電体２４４ｄ上の導電体２４６ｄおよび絶縁体２７６ｄと、を有する。
なお、導電体２４４ｓ、および導電体２４４ｄの両方、またはいずれか一方を指して導電体２４４と称する場合がある。同様に、絶縁体２７６ｓ、および絶縁体２７６ｄの両方、またはいずれか一方を指して絶縁体２７６と称し、導電体２４６ｓ、および導電体２４６ｄの両方、またはいずれか一方を指して導電体２４６と称する場合がある。
また、図１に示すように、トランジスタ２００は、少なくとも、第１のゲートとして機能する導電体２６０と、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう）を有する半導体層２３０と、を有する。
本発明の一態様は、導電体２４４、導電体２４６、および絶縁体２７６は、層間膜に設けられた開口部（以下、コンタクトホール、またはビアホールともいう）の内部に配置される。ただし、導電体２４６、または絶縁体２７６が該開口部の外側、例えば層間膜の上面より高い位置まで設けられる場合もある。なお、当該開口部は、少なくとも半導体層２３０が露出するように設ける。
ここで、半導体装置の高集積化に伴い、プラグとプラグ間の距離、プラグと他の電極（例えば、ゲート電極）間の距離が狭くなる。その結果、寄生容量が増大し、半導体装置の動作速度を低下させる場合がある。そこで、絶縁体２７６を、導電体２４６と層間膜との間に配置することで、半導体装置が高集積化した場合でも、寄生容量の増大を抑制し、半導体装置の動作速度をより高くすることができる。
また、半導体装置の高集積化により、プラグ、または配線も微細化される。微細化することで、プラグ、または配線の酸化が起こりやすくなり、高抵抗化する場合がある。そこで、絶縁体２７６として、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いることで、プラグ、または配線の酸化を防ぎ、高抵抗化を抑制することができる。
酸素に対しバリア性を有する材料として、例えば、絶縁体２７６として、ハフニウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物、またはアルミニウムまたはシリコンを含む窒化物を用いることができる。
また、トランジスタの微細化に伴い、半導体層２３０と、ソース電極、およびドレイン電極との接触面積も小さくなる傾向がある。つまり、半導体層２３０と、ソース電極、およびドレイン電極とのコンタクト抵抗は増大し、トランジスタのオン特性が低下する場合がある。そのため、トランジスタの高いオン特性を維持するためには、トランジスタを微細化した場合でも、半導体層２３０と、ソース電極、およびドレイン電極との接触面積を極力大きくすることが好ましい。
絶縁体２７６、および導電体２４６と、半導体層２３０との間に、導電体２４４を設ける。導電体２４４を設けることで、導電体２４４を設けない構造とした場合よりも、半導体層２３０と、ソース電極、およびドレイン電極との接触面積を大きくすることができる。即ち、当該構造により、半導体層２３０と、ソース電極、およびドレイン電極との接触面積が増加し、コンタクト抵抗を低減することができる。
例えば、上面図から見た開口部の形状が矩形である場合、開口部の一辺における幅を極めて小さくすることで、プラグ、または配線としての機能を有する導電体２４６の開口部の一辺における幅も極めて小さくなる。または、上面図から見た開口部の形状が円形状（楕円形状含む）である場合、開口部の直径（楕円形の場合は長軸、または短軸）における幅が極めて小さくすることでプラグ、または配線としての機能を有する導電体２４６の一辺における幅も極めて小さくなる。ここで、開口部の一辺の幅に対し、導電体２４６の幅はさらに絶縁体２７６の厚さの分だけ小さくなる。
具体的には、開口部の一辺が長さ２２ｎｍの正方形を例とする。絶縁体２７６の厚さが片側５ｎｍ（開口部の両側で１０ｎｍ）とした場合、導電体２４６の一辺の長さは１２ｎｍまで小さくなる。即ち、導電体２４４を設けない場合、半導体層２３０と導電体２４６との接触面積がおよそ３０％となる。一方、導電体２４４の幅は、開口部の幅と同程度にすることができるため、導電体２４４を配置することで、コンタクト抵抗を低減することができる。
上記は一例であり、絶縁体２７６を薄くすることなどで、導電体２４６と半導体層２３０との接触面積の低減を抑制することもできる。ただし、絶縁体２７６を薄くするとバリア性が低下する可能性があるため、導電体２４６の抵抗が極小となるように絶縁体２７６の種類や厚さを適宜最適化することが好ましい。
なお、導電体２４４は、難酸化性の材質を含むことが望ましい。導電体２４４に難酸化性の材質を用いることで、導電体２４４自体の酸化し、高抵抗化することを抑制できる。その結果、トランジスタのオン特性を高くすることができる。難酸化性の材料としては、例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタン、ルテニウム、白金、イリジウム、銀、金、チタンアルミニウム合金、チタンアルミニウム合金の窒化物などを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。
また、導電体２４４として、導電性の金属酸化物を用いてもよい。導電体２４４に酸素がある状態でも導電性を有する金属酸化物を用いることで、導電体２４４の酸素吸収に起因した高抵抗化を抑制できる。その結果、トランジスタのオン特性を高くすることができる。例えば、導電性の金属酸化物は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、亜鉛を含むインジウム錫酸化物、ガリウムを含む酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウムを含む酸化亜鉛（ＡＺＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、フッ素を含む酸化錫（ＦＴＯ）、またはアルミニウムを含む酸化錫（ＡＴＯ）、酸化ルテニウム等がある。また、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高いものを用いてもよい。
また、導電体２４４として、電気伝導度が高い半導体、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコン、またはニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。また、導電体２４４として、半導体層２３０と反応して導電性化合物を形成する導電体を用いてもよい。
一方、導電体２４６は、タングステン、ポリシリコン等の埋め込み性の高い導電性材料を用いることが好ましい。また、埋め込み性の高い導電性材料と、チタン層、窒化チタン層、窒化タンタル層などの半導体層２３０および埋め込み性の高い導電性材料と密着性の高い層を組み合わせて用いてもよい。
また、開口部をスリット状に形成し、導電体２４４、および導電体２４６、またはそれらと同一の工程を経て形成された導電体を配線として用いる場合、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。例えば、導電体２４６として銅を含む導電性材料を用いる場合、導電体２４４が銅のバリア性を有する導電性材料であることが好ましい。また、絶縁体２７６が銅のバリア性を有する絶縁性材料であることが好ましい。
銅のバリア性を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることができる。また、銅のバリア性を有する絶縁性材料としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ホウ素、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化タンタル、酸化マグネシウムなどを用いることができる。なお、導電体２４４、および導電体２４６は積層構造としてもよい。
具体的に、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）では、絶縁体２７６は、管状（チューブ状ともいう）であり、絶縁体２７６の内部（内側ともいう）には、導電体２４６が配置される。また、導電体２４４の側面と、絶縁体２７６の外側の面は、同一平面状となる。当該構造により、導電体２４６の酸化を抑制し、かつ、半導体層２３０とのコンタクト抵抗を低減することができる。
従って、導電体２４４の投影面積は、導電体２４６の投影面積よりも、大きいことが好ましい。また、導電体２４４の投影面積と絶縁体２７６の投影面積の和は、導電体２４４の投影面積と等しいことが好ましい。
また、半導体層２３０は、単結晶半導体、多結晶半導体、微結晶半導体、または非晶質半導体などを、単体でまたは組み合わせて用いることができる。
半導体材料としては、例えば、金属酸化物などの酸化物半導体を用いることができる。例えば、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、半導体層２３０として、Ｉｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、またはＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
また、半導体材料として、シリコンや、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、酸化物半導体、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体などを用いることができる。
例えば、半導体層として有機物半導体を用いる場合は、芳香環をもつ低分子有機材料やπ電子共役系導電性高分子などを用いることができる。例えば、ルブレン、テトラセン、ペンタセン、ペリレンジイミド、テトラシアノキノジメタン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレンビニレンなどを用いることができる。
なお、半導体層を積層してもよい。半導体層を積層する場合は、それぞれ異なる結晶状態を有する半導体を用いてもよいし、それぞれ異なる半導体材料を用いてもよい。
＜半導体装置の構成例２＞
例えば、図１（Ｅ）、および図１（Ｆ）に示すように、半導体層２３０よりも外側まで開口部を設ける構造としてもよい。このとき、半導体層２３０を線状としてもよい。なお、図では、半導体層２３０を直線状で示したが、曲線を有していてもよい。半導体層２３０を一次元的に配置することで、微細な形状が形成しやすくなる。また、半導体層の幅が一定である構造は、レイアウト設計の自由度が向上するため好ましい。つまり、トランジスタの微細化、および高集積化が容易となる。
上述したように、半導体装置を高集積化すると半導体層２３０と、ソース電極またはドレイン電極とのコンタクト抵抗が高くなる傾向がある。そこで、図１（Ｅ）、および図１（Ｆ）に示すように、層間膜に設ける開口径が、半導体層２３０のＷ長方向の幅よりも、大きくなるように設けるとよい。つまり、層間膜に設けられた開口部の底部において、半導体層２３０の上面、および側面が露出する。従って、導電体２４４は、半導体層２３０の上面、および側面と接するため、コンタクト抵抗を低減することができる。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図２乃至図５を用いて説明する。また、図２乃至図５において、各図の（Ａ）、および（Ｄ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｅ）は、（Ｄ）に示すＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｆ）は、（Ｄ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図の（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。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図２（Ｃ）に示すように、半導体層２３０、および導電体２６０を有するトランジスタ２００を形成する。続いて、トランジスタ２００を覆って、層間膜を形成する。
次に、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）、および図２（Ｆ）に示すように、半導体層２３０を露出する開口部２４１ｓ、および開口部２４１ｄを形成する。なお、開口部とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。開口部の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
ここで、開口部２４１ｓ、および開口部２４１ｄの側面は、基板に対し、垂直、または垂直に近い高角度であることが好ましい。開口部２４１ｓ、および開口部２４１ｄの側面が、基板に対して概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。
続いて、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）に示すように、半導体層２３０、開口部２４１を覆って、導電膜２４４Ａを成膜する。ここで、導電膜２４４Ａは、少なくとも、開口部２４１の底部にのみ成膜されていればよい。つまり、導電膜２４４Ａを開口部の側面に設けない、または、開口部の側面を覆う導電膜２４４Ａの厚みが、開口部の底部を覆う導電膜２４４Ａの厚みよりも、薄く設けることが好ましい。
開口部の側面と、底部とで膜厚が異なる導電膜２４４Ａを成膜するには、例えば、コリメートスパッタリング法、低圧ロングスロースパッタリング法、イオン化スパッタリング法（アンバランスマグネットを用いたスパッタリング法を含む）、ＤＣ電力とＲＦ電力を重畳したスパッタリング法、基板側の容量が可変なスパッタリング法、基板側にバイアスを印加するスパッタリング法またはこれらを組み合わせたスパッタリング法などを用いることで、成膜することができる。または、ＣＶＤ法などを用いて、開口部の底部のみに選択成長するように導電膜２４４Ａを成膜してもよい。
開口部の側面に導電膜２４４Ａが成膜されている場合は、図３（Ｄ）、図３（Ｅ）、および図３（Ｆ）に示すように、開口部の側面に形成された導電膜２４４Ａを除去し、導電体２４４を形成する。例えば、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法を用いて、開口部の側面が露出されるまで、導電膜２４４Ａを除去するとよい。従って、導電体２４４の膜厚は、開口部の底部に成膜した導電膜２４４Ａの膜厚よりも、薄く形成される場合がある。
次に、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）に示すように、導電体２４４、および開口部の側面を覆って、絶縁膜２７６Ａを成膜する。絶縁膜２７６Ａは、酸素に対してバリア性のある絶縁膜を用いる。また、絶縁膜２７６Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜を行うことができる。
ここで、絶縁膜２７６Ａの膜厚を適宜設定することで、開口部の面積に対し、絶縁体２７６が接する割合を決定することができる。つまり、プラグ、または配線の微細化を可能とするために、絶縁膜２７６Ａは、できるだけ薄く均一に形成することが好ましい。従って、絶縁膜２７６Ａの成膜は、ＡＬＤ法を用いることが好ましい。ＡＬＤ法を用いて絶縁層を形成することで、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膜を、薄く形成することができる。
続いて、図４（Ｄ）、図４（Ｅ）、および図４（Ｆ）に示すように、絶縁膜２７６Ａの一部を除去し、導電体２４４を露出させることで、絶縁体２７６を形成する。当該加工は、異方性のドライエッチングを用いることができる。
次に、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）に示すように、導電体２４４、および絶縁体２７６を覆って、導電膜２４６Ａを成膜する。導電膜２４６Ａは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電膜２４６Ａは積層構造としてもよい。
次に、図５（Ｄ）、図５（Ｅ）、および図５（Ｆ）に示すように、導電膜２４６Ａの一部を含む構造体を除去することで、層間膜を露出する。本工程には、例えば、ＣＭＰ（化学的機械研磨）処理を用いることができる。ＣＭＰ処理により、不要な構造体を除去し、層間膜を露出させることで、開口部のみに、導電体２４６が残存する。なお、当該ＣＭＰ処理により、層間膜の一部が除去される場合がある。また、ＣＭＰの選択比によっては、層間膜の上面よりも絶縁体２７６、導電体２４６の一部が上になる場合や下になる場合がある。
従って、開口部内に、導電体２４４、導電体２４６、および酸化を抑制する絶縁体２７６を配置することで、半導体装置の微細化、および高集積化を容易に行うことができる。また、半導体装置の動作速度を向上することができる。また、半導体装置の消費電力を低減することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態に示すトランジスタ２００の構造例について、図６乃至図１１を用いて、説明する。なお、本実施の形態に示すトランジスタ２００は、酸化物半導体を有する。
ここで、酸化物半導体は、インジウムを含む金属酸化物を用いるとよい。例えば、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いることができる。また、酸化物半導体として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
例えば、チャネルが形成される領域に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ため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
また、酸化物半導体を用いることで、様々な素子を積層して立体的に集積化することができる。つまり、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、基板の平面に回路を展開するだけでなく、垂直方向にも回路を展開した立体集積回路（３次元集積回路）とすることができる。
なお、素子の各構造は、各構造に適した材料を用いた膜の成膜、および当該膜に対し加工成形を、繰り返し行うことで、作製することができる。
＜トランジスタの構造例１＞
以下では、図６、および図７を用いてトランジスタ２００Ａの構造例を説明する。図６（Ａ）はトランジスタ２００Ａの上面図である。なお、図６（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。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。また、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）に一点鎖線Ｗ３－Ｗ４で示す部位の断面図である。また、図７は、図６（Ｃ）において、導電体２６０、および導電体２０３の延長上の領域を示す断面図である。
図６、および図７では、トランジスタ２００Ａと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４、絶縁体２７６（絶縁体２７６ｓ、絶縁体２７６ｄ、絶縁体２７６ｔｇ、および絶縁体２７６ｂｇ）と、を示している。また、トランジスタ２００Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体２４４（導電体２４４ｓ、導電体２４４ｄ、導電体２４４ｔｇ、および導電体２４４ｂｇ）、および導電体２４６（導電体２４６ｓ、導電体２４６ｄ、導電体２４６ｔｇ、および導電体２４６ｂｇ）と、配線として機能する導電体２０３を示している。
層間膜としては、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）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの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よい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
例えば、絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２１６、および絶縁体２８２は、水、水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水、水素などの不純物が上記絶縁体よりも基板側からトランジスタ２００Ａ側に拡散するのを抑制することができる。
従って、絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８４は、水素、水、銅などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素の拡散を抑制する機能を有する（酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、上記絶縁体として、酸化アルミニウム、窒化シリコンなどを用いてもよい。
例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６は、絶縁体２１０よりも誘電率が低いことが好ましい。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。
導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお、導電体２０３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体２０３は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。
トランジスタ２００Ａは、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する導電体２０５と、第１のゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０と、第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と、チャネルが形成される領域を有する半導体層２３０（半導体層２３０ａ、半導体層２３０ｂ、および半導体層２３０ｃ）と、絶縁体２７０と、絶縁体２７５と、絶縁体２７１と、絶縁体２７４と、を有する。
また、半導体層２３０は、領域２３１ｓ、および領域２３１ｄを有する。領域２３１ｓ、および領域２３１ｄの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。なお、領域２３１（領域２３１ｓ、および領域２３１ｄ）は、半導体層を構成する元素の他に、半導体層２３０を低抵抗化する元素を含み、低抵抗化した領域である。なお、半導体層２３０を低抵抗化する元素は、該元素自体がドナーまたはアクセプタとなり半導体層２３０にキャリアを生成する元素だけでなく、該元素が添加されることにより間接的に半導体層２３０にキャリアが生成される元素も含む。
なお、半導体層２３０に酸化物半導体を用いた場合、低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
ここで、トランジスタ２００において、半導体層２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。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ため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体に水素が含まれる場合、熱処理等によって金属原子と結合する酸素と反応して水を生じ、結果的に酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損（酸素があったサイト）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。従って、酸素欠損の多い酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
酸化物半導体中の酸素欠損を低減するためには、酸化物半導体の近傍に、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配置するとよい。例えば、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２７５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。当該過剰酸素が、酸化物半導体へと拡散することで、酸素欠損を補償することができる。
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、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／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、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２７５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。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、絶縁体２２２、絶縁体２７４は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体２２２、および絶縁体２７４がバリア性を有することで、半導体層２３０への不純物の拡散を抑制することができる。従って、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損の発生を抑制することができる。
例えば、絶縁体２２２、絶縁体２７４は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、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）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。
特に、絶縁体２２２には、ｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電圧の低減が可能となる。
また、絶縁体２２０を設けてもよい。例えば、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を用いた絶縁体２２２と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
また、トランジスタ２００Ａにおいて、第２のゲート電極に、電圧を印加することで、トランジスタ２００Ａのしきい値電圧を制御することができる。特に、第２のゲート電極に負の電圧を印加することにより、トランジスタ２００Ａのしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。つまり、第２のゲート電極に負の電圧を印加することで、第１のゲート電極に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を低減することができる。
また、例えば、第１のゲート電極と、第２のゲート電極とを重畳して設けることで、各電極に同電位を印加した場合、第１のゲート電極から生じる電界と、第２のゲート電極から生じる電界とで、半導体層２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極の電界と、第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
第２のゲートとして機能する導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。なお、トランジスタ２００では、第１の導電体および第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体２０５の第１の導電体は、水、水素、または銅などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素の拡散を抑制する機能を有する（酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。導電体２０５の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５の第２の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。
また、導電体２０５が配線の機能を兼ねる場合、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水、水素、または銅などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体２６０ａを有することで、導電体２６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体２６０ａとして、半導体層２３０として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体２６０ｂに酸素を吸収する導電体を用いることで、導電体２６０ａである酸化物半導体に酸素欠損を作り、電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
また、導電体２６０は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体２６０の上に、バリア膜として機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を防ぐことができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを防ぐことができる。
また、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置することが好ましい。絶縁体２７０を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。つまり、導電体２６０の微細化が可能となる。
また、導電体２６０と導電体２４４との間に、絶縁体２７５を設けることが好ましい。絶縁体２７５は、少なくとも導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。当該絶縁体２７５は、酸化シリコンなどの比較的絶縁耐性が高い材質を用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、導電体２６０と、導電体２４６との物理的な距離が近くなるため、寄生容量の形成、またはリーク電流などの問題が生じる場合がある。従って、絶縁体２７５を配置することで、トランジスタの電気的特性の向上を図ることができる。
図６、および図７に示すトランジスタ２００Ａに対し、実施の形態１で説明した導電体２４４、導電体２４６、および絶縁体２７６を配置する。ここで、トランジスタ２００は、半導体層２３０に酸化物半導体を用いた場合、導電体２４４を配置することで、加工を行う際の半導体層２３０へのダメージを低減することができる。
つまり、導電体２４４を設けない場合、酸化物半導体からなる半導体層２３０上に接して絶縁体２７６が成膜される。絶縁体２７６を異方性エッチングで形成する場合、該異方性エッチング時に半導体層２３０や絶縁体２２４へのエッチングダメージが生じる。また、絶縁体２７６に金属酸化物を用いる場合、半導体層２３０と絶縁膜２７６Ａとのエッチングレートが近いため、良好な加工形状を得ることが難しい。一方、半導体層２３０が露出する開口部の底部に、半導体層２３０を覆うように、導電体２４４を設けることで、導電体２４４と絶縁体２７６とのエッチングの選択性（選択比）を用いて、加工を行うことができる。従って、導電体２４４の材料を適切に選択することで、良好な加工形状を得ることができる。
上記構造を有することで、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
＜トランジスタの構造例２＞
以下では、図８を用いてトランジスタ２００Ｂの構造例を説明する。図８（Ａ）はトランジスタ２００Ｂの上面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図８（Ｃ）は、図８（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。図８（Ｄ）は、図８（Ａ）に一点鎖線Ｗ３－Ｗ４で示す部位の断面図である。なお、図８（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２００Ｂはトランジスタ２００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ２００Ａと異なる点について説明する。
層間膜に形成される開口部２４１ｓ、または開口部２４１ｄは、絶縁体２７５の側面、および絶縁体２７０の上面が露出するように設けてもよい。本構造は、絶縁体２８０の開口時に絶縁体２７５、および絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さいエッチング条件とすることで形成することができる。例えば、絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。
従って、絶縁体２８０の一部を除去する際に、絶縁体２７０、および絶縁体２７５が露出したとしても、除去されない。つまり、当該絶縁体の内部に配置された導電体２６０、絶縁体２５０などのトランジスタ２００Ｂの構成要素は保護される。当該構成とすることで、自己整合的に開口部２４１を形成することができる。
図８に示す構造を用いることで、開口部と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口部と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。
＜トランジスタの構造例３＞
図９を用いてトランジスタ２００Ｃの構造例を説明する。図９（Ａ）はトランジスタ２００Ｃの上面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。図９（Ｄ）は、図９（Ａ）に一点鎖線Ｗ３－Ｗ４で示す部位の断面図である。なお、図９（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２００Ｃはトランジスタ２００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ２００Ａと異なる点について説明する。
また、図９に示すトランジスタ２００Ｃでは、半導体層２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０が、絶縁体２８０に設けられた開口部内に、バリア性を有する絶縁体２７４を介して配置される。
なお、半導体層２３０ｃは、絶縁体２８０に設けられた開口部内に、絶縁体２７４を介して設けられることが好ましい。また、絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁層として機能する。絶縁体２５０は、絶縁体２８０に設けられた開口部内に、半導体層２３０ｃ、および絶縁体２７４を介して設けられることが好ましい。
本構造では、絶縁体２８０と、トランジスタ２００Ｂとの間に絶縁体２７４を配置する。絶縁体２７４は、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体２７４を有することで、絶縁体２８０が有する水、水素などの不純物が半導体層２３０ｃ、および絶縁体２５０を介して、半導体層２３０ｂに拡散することを抑制することができる。
＜トランジスタの構造例４＞
図１０を用いてトランジスタ２００Ｄの構造例を説明する。図１０（Ａ）はトランジスタ２００Ｄの上面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）に一点鎖線Ｗ３－Ｗ４で示す部位の断面図である。なお、図１０（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２００Ｄはトランジスタ２００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ２００Ａと異なる点について説明する。
また、図１０に示すトランジスタ２００Ｄは、導電体２４０（導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄ）を有する。なお、導電体２４０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。
なお、導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
また、導電体２４０は、半導体層２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
一方、半導体層２３０ｂと、導電体２４０との間に、導電体２４０の膜厚分の段差部が生じる。当該段差部に半導体層２３０ｃ、および絶縁体２５０が埋め込まれるため、トランジスタ２００Ｄの微細化は難しい。そこで、導電体２４０はできる限り薄く成膜することが望ましい。しかしながら、導電体２４０の膜厚が薄い場合、開口部２４１を形成する際に、導電体２４０が除去されることで、半導体層２３０も加工雰囲気に曝され、形状不良となり、トランジスタの電気特性にばらつきが生じる。また、半導体層２３０の側面は、導電体２４０が形成されていないため、半導体層２３０へのダメージが生じる蓋然性が高い。
従って、トランジスタ２００Ｄに対し、実施の形態１で説明した導電体２４４、導電体２４６、および絶縁体２７６を配置する。つまり、半導体層２３０の側面と、導電体２４０の側面および上面とに、導電体２４４を配置することで、加工を行う際の半導体層２３０へのダメージを低減することができる。また、導電体２４０を薄く形成した場合でも、コンタクト抵抗を低減することができる。
＜トランジスタの構造例５＞
図１１を用いてトランジスタ２００Ｅの構造例を説明する。図１１（Ａ）はトランジスタ２００Ｅの上面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。図１１（Ｄ）は、図１１（Ａ）に一点鎖線Ｗ３－Ｗ４で示す部位の断面図である。なお、図１１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ２００Ｅはトランジスタ２００Ｂ、およびトランジスタ２００Ｄの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ２００Ｂ、およびトランジスタ２００Ｄと異なる点について説明する。
また、図１１に示すトランジスタ２００Ｄは、導電体２４０（導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄ）を有する。なお、導電体２４０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。
なお、半導体層２３０ｃは、絶縁体２８０に設けられた開口部内に設けられることが好ましい。また、絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁層として機能する。絶縁体２５０は、絶縁体２８０に設けられた開口部内に、半導体層２３０ｃを介して設けられることが好ましい。
本構造では、絶縁体２８０と、半導体層２３０ｃが接する。そこで、絶縁体２８０には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。当該過剰酸素が、酸化物半導体へと拡散することで、酸素欠損を補償することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１２および図１３を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
図１２（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１２（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図１２（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図１３に上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
図１３（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭと呼ぶ場合がある。図１３（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びパックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、および読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１として、先の実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、またはアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１３（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１３（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、およびバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２として先の実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、またはアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図１３（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図１３（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４として先の実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態、実施例など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４）
本実施の形態では、図１４を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
図１４（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１１、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１４（Ｂ）に示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態、実施例など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）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１５にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
図１５（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１５（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１５（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１５（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１５（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図１６に、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵ又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図１６に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図１６（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
情報端末５５００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５５１１に表示するアプリケーション、表示部５５１１に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５５１１に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
［情報端末］
図１６（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。
デスクトップ型情報端末５３００は、先述した情報端末５５００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図１６（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［電化製品］
図１６（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
［ゲーム機］
図１６（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５２００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５２００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
また、携帯ゲーム機５２００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
図１６（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
図１６（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図１６（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図１６（Ｅ２）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［放送システム］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、放送システムに適用することができる。
図１６（Ｆ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図１６（Ｆ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない。）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
図１６（Ｆ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図１６（Ｆ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
２００トランジスタ、２００Ａ トランジスタ、２００Ｂ トランジスタ、２００Ｃ トランジスタ、２００Ｄ トランジスタ、２００Ｅ トランジスタ、２０３ 導電体、２０５ 導電体、２１０ 絶縁体、２１２ 絶縁体、２１４ 絶縁体、２１６ 絶縁体、２２０ 絶縁体、２２２ 絶縁体、２２４ 絶縁体、２３０ 半導体層、２３０ａ 半導体層、２３０ｂ 半導体層、２３０ｃ 半導体層、２３１ 領域、２３１ｄ 領域、２３１ｓ 領域、２４０ 導電体、２４０ｄ 導電体、２４０ｓ 導電体、２４１ 開口部、２４１ｄ 開口部、２４１ｓ 開口部、２４４ 導電体、２４４Ａ 導電膜、２４４ｂｇ 導電体、２４４ｄ 導電体、２４４ｓ 導電体、２４４ｔｇ 導電体、２４６ 導電体、２４６Ａ 導電膜、２４６ｂｇ 導電体、２４６ｄ 導電体、２４６ｓ 導電体、２４６ｔｇ 導電体、２５０ 絶縁体、２６０ 導電体、２６０ａ 導電体、２６０ｂ 導電体、２７０ 絶縁体、２７１ 絶縁体、２７４ 絶縁体、２７５ 絶縁体、２７６ 絶縁体、２７６Ａ 絶縁膜、２７６ｂｇ 絶縁体、２７６ｄ 絶縁体、２７６ｓ 絶縁体、２７６ｔｇ 絶縁体、２８０ 絶縁体、２８２ 絶縁体、２８４ 絶縁体

Claims (4)

  1. 第１の絶縁体、第２の絶縁体、第１の導電体、第２の導電体、および半導体層、を有し、
    前記第１の絶縁体は、前記半導体層を露出する開口部を有し、
    前記第１の導電体は、前記開口部の底面に、前記半導体層と接して配置され、
    前記第２の絶縁体は、前記第１の導電体の上面および前記開口部内の側面と接して配置され、
    前記第２の導電体は、前記第１の導電体の上面と接し、前記第２の絶縁体を介して前記開口部内に配置され、
    前記第２の絶縁体は、ハフニウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物、またはアルミニウムまたはシリコンを含む窒化物を含み、
    前記半導体層は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の導電体は、難酸化性である半導体装置。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１の導電体は、前記第２の導電体よりも、投影面積が大きい半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記第１の絶縁体は過剰酸素を有し、前記第２の絶縁体は酸素に対するバリア性を有する半導体装置。
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