JPWO2018215878A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

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直樹 奥野
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佑太 遠藤
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裕己 井本
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Abstract

良好な特性を有する半導体装置を提供する。トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の絶縁体と、絶縁体上の導電体と、を有し、第１の酸化物は、チャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように位置する第１の領域、および第２の領域と、を有し、第２の酸化物は、チャネル形成領域、第１の領域の一部、および第２の領域の一部と接するように設けられ、第１の領域、および第２の領域は、チャネル形成領域よりも酸素濃度が小さい。

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。
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。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、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）に関するものである。
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、半導体ウエ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およびメモリ）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。当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。）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献２参照）。
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１１−２２８６２２号公報
特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸化物半導体膜中から金属膜が酸素を引き抜く作用が低い。
また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水・脱水素化）が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリーオフのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。
上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで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。
または、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、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、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、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、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、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、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、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の絶縁体と、絶縁体上の導電体と、を有し、第１の酸化物は、チャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように位置する第１の領域、および第２の領域と、を有し、第２の酸化物は、チャネル形成領域、第１の領域の一部、および第２の領域の一部と接するように設けられ、第１の領域、および第２の領域は、チャネル形成領域よりも酸素濃度が小さい半導体装置である。
また、本発明の一態様は、トランジスタと、トランジスタを覆う第１の絶縁体と、トランジスタと電気的に接続する第１の導電体、および第２の導電体と、を有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の酸化物と、第１の酸化物上の、金属元素、および酸素を含む、第１の層、および第２の層と、第１の酸化物、第１の層、および第２の層上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第１の酸化物は、チャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように位置する第１の領域、および第２の領域と、を有し、第１の領域は、第１の層と接するように設けられ、第２の領域は、第２の層と接するように設けられ、第２の酸化物は、チャネル形成領域と、第１の層の一部と、第２の層の一部と、接するように設けられ、第１の絶縁体と、第１の層は、第１の領域を露出する第１の開口を有し、第１の導電体は、第１の開口に設けられ、かつ第１の領域と電気的に接続し、第１の絶縁体と、第２の層は、第２の領域を露出する第２の開口を有し、第２の導電体は、第２の開口に設けられ、かつ第２の領域と電気的に接続し、第１の領域、および第２の領域は、チャネル形成領域よりも酸素濃度が小さい半導体装置である。
上記において、第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有することが好ましい。
上記において、第１の酸化物は、原子数比において、元素ＭよりもＩｎの方が多いことが好ましい。
上記において、第１の領域、および第２の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有していてもよい。
上記において、第１の領域、および第２の領域は、さらに窒素を有していてもよい。
上記において、チャネル形成領域は、第１の領域、および第２の領域よりも水素濃度が低いことが好ましい。
上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型であることが好ましい。
上記において、金属元素は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有することが好ましい。
上記において、第１の層、および第２の層は、さらに窒素を有していてもよい。
上記において、第１の層、および第２の層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満であることが好ましい。
また、本発明の一態様は、第１の酸化物上に金属元素を含む第１の層を形成し、第１の層をマスクとして、第１の酸化物を島状に加工し、島状に加工された第１の酸化物上の第１の層を加工することで、第１の酸化物の第１の領域を露出し、かつ酸化物の第２の領域上に第２の層、および酸化物の第３の領域上に第３の層を形成し、少なくとも第１の酸化物、第２の層、および第３の層に対して、窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行うことで、第２の領域に含まれる酸素を第２の層に引き抜き、かつ第３の領域に含まれる酸素を第３の層に引き抜き、第１の酸化物上に第２の酸化物を形成し、第２の酸化物上に絶縁体を形成し、絶縁体上に導電体を形成する半導体装置の作製方法である。
上記において、第１の層は、アルゴン及び窒素のいずれか一方または双方のガスを用いて、スパッタリング法により形成されることが好ましい。
上記において、第１の加熱処理後に、第１の層、および第２の層を除去してもよい。
上記において、第１の加熱処理の後に、さらに第２の加熱処理を行ってもよい。
本発明の一態様により、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することが可能となる。
または、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可能となる。本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可能となる。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可能となる。
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可能となる。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可能となる。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可能となる。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可能となる。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可能となる。
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。
本発明の一態様に係るトランジスタの構成を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの構成を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの構成を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 インバータ回路の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャート。 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。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 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。 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、および回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図、および電子機器の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 実施例における試料のシート抵抗を説明する図。 実施例におけるサンプルの断面のＳＴＥＭ画像を説明する図。
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、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）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に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、チャネル形成領域とは、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、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
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、「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。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
なお、本明細書において、バリア層とは、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膜のことであり、該バリア層に導電性を有する場合は、導電性バリア層と呼ぶことがある。
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、電源による電位の印加がない（０Ｖ）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、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合がある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
＜トランジスタの構成＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様であるトランジスタの上面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル長方向の断面図をしめす。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル形成領域におけるチャネル幅方向の断面図をしめす。図１（Ｄ）は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのソース領域、またはドレイン領域におけるチャネル幅方向の断面図をしめす。図１（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。なお、トランジスタのチャネル長方向とは、基板と水平な面内において、ソース（ソース領域またはソース電極）及びドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）間において、キャリアが移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面内において、チャネル長方向に対して垂直の方向を意味する。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２（絶縁体２８２ａ、絶縁体２８２ｂ）、および絶縁体２８６と、絶縁体２８０、および絶縁体２８２が有する開口の側面を被覆するバリア層２７６と、層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６が有する開口に、バリア層２７６を介して埋め込まれた導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２）と、導電体２５２と電気的に接続する導電体２５６と、を有する。
なお、半導体装置において、導電体２５２、および導電体２５６はプラグ、または配線としての機能を有する。なお、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。
トランジスタ２００は、第１のゲート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のゲート電極として機能する導電体２０５と、導電体２６０を覆うバリア層２７０と、第１のゲート絶縁層として機能する絶縁体２５０と、第２のゲート絶縁層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酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ）と、を有する。
また、トランジスタ２００の第２のゲート電極として機能する導電体２０５と電気的に接続する導電体２０３（導電体２０３ａ、導電体２０３ｂ）を設けてもよい。この場合、導電体２０３は、ゲート配線としての機能を有する。また、導電体２０３は、導電体２０５と同じ層に設けられた導電体２０７を介して、導電体２５２ｄと電気的に接続する。すなわち、導電体２０５は、導電体２０３、および導電体２０７を介して、導電体２５２ｄと電気的に接続する。一方、導電体２０３を設けない場合は、導電体２０５は、ゲート電極、およびゲート配線として機能すればよい。
導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、実質的にトランジスタ２００のしきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。また、トランジスタ２００のしきい値を０Ｖより大きくすることで、オフ電流を低減することが可能となる。従って、導電体２６０に印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。また、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と等しく、または同等とすることで、トランジスタのオン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
トランジスタ２００において、酸化物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やすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体に含まれる水素は、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、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。
酸化物２３０は、低抵抗領域を有する。領域２３１は、トランジスタ２００のチャネルが形成される領域と比較して、酸素濃度が低減され、低抵抗化した領域である。詳細は後述するが、領域２３１の酸素濃度を低減するには、酸化物２３０に接して金属元素を含む層を形成すればよい。また、金属元素を含む層を形成した後、加熱処理を行うことで、領域２３１の酸素濃度は、より低減する。また、領域２３１は、酸化物２３０に含まれるインジウム（Ｉｎ）の含有率が高いことが好ましい。インジウム（Ｉｎ）の含有率が高いことで、領域２３１はより低抵抗化するため、好ましい。また、領域２３１には、金属元素を含む層が有する金属元素と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成されることが好ましい。該金属化合物層が、領域２３１に形成されることで、領域２３１はより低抵抗化するため、好ましい。
また、酸化物２３０に対して、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加することで、領域２３１を形成してもよい。該元素の添加には、例えば、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、プラズマ処理などを用いることができる。
酸化物２３０に該元素が添加されると、酸化物２３０中の金属元素と酸素原子の結合が切れ、酸化物２３０中に酸素欠損が生じると考えられる。酸素欠損が水素などの不純物を捕獲することで、キャリアが生じ、酸化物２３０、すなわち領域２３１は低抵抗化する。水素などの不純物は、酸化物２３０中に存在している場合がある。このとき、当該不純物は、金属元素や酸素原子とは未結合の状態で存在していてもよい。
酸化物２３０に、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素として、ホウ素やリンが挙げられる。また、ホウ素やリン以外にも、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン等を用いることができる。また、上記元素として、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、ランタンなどの金属元素も挙げられる。酸化物２３０に対して、上記元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の元素を添加してもよい。上述した中でも、添加される元素は、ホウ素、及びリンが好ましい。ホウ素およびリンの添加には、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、設備投資を抑制することができる。上記元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。
上記元素の添加後には、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、酸化物２３０に添加された元素は、酸化物２３０中の酸素との結合がより効果的に行われ、より多くの酸素欠損を形成することが考えられる。この酸素欠損に水素などの不純物が捕獲されることで、酸化物２３０の領域２３１の抵抗値はより低下する。なお、該加熱処理は、元素の添加後すぐに行ってもよいし、絶縁体や導電体などの形成後や、加工後に行ってもよい。すなわち、元素の添加から、加熱処理の間に複数の工程が行われてもよい。
また、層間膜として機能する絶縁体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ことが好ましい。
特に、トランジスタ２００の近傍に設けられる絶縁体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ことが好ましい。特に、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近傍の層間膜に、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が有する酸化物２３０のチャネル形成領域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（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）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、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できる。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。
絶縁体２８２ａは、スパッタリング法を用いて形成された金属酸化物を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体２８２ａを用いることにより、絶縁体２８２ａと絶縁体２８０が接する面を介して絶縁体２８０に酸素を供給し、絶縁体２８０を酸素過剰な状態にできる。過剰酸素は、熱処理などによって、絶縁体２８０および絶縁体２８０と接する絶縁体２５０、または絶縁体２２４を通り、酸化物２３０のチャネルが形成される領域（チャネル形成領域と呼ぶ）に供給される。これにより、酸化物２３０のチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。
絶縁体２８０が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２８２（絶縁体２８２ａ、絶縁体２８２ｂ）は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体２８２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２８６側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、絶縁体２８２は、積層構造としてもよく、スパッタリング法を用いて、金属酸化物を形成した後、該金属酸化物上にＡＬＤ法を用いて、さらに金属酸化物を形成してもよい。ＡＬＤ法を用いて形成される膜は、被覆性が良く、凹凸や段差部などにより生じた側面にも均一な膜厚で金属酸化物を形成することができ、酸素、水素、および水に対するバリア性がより向上するため、好ましい。
このように積層構造を有する絶縁体２８２は、絶縁体２８０に過剰酸素を供給する機能と、酸素、水素、および水に対するバリア性を有するため、好ましい。
ここで、バリア性とは、水素、および水に代表される不純物や、酸素の拡散を抑制する機能とする。例えば、３５０℃、好ましくは４００℃の雰囲気下において、水素の拡散を抑制することができればよい。例えば、水素を放出する第１の膜上に、任意の第２の膜を積層した構造において、ＴＤＳ測定を行った場合、４００℃以下において、水素の放出が５．０×１０１４個／ｃｍ２以下で検出される場合、第２の膜は、水素に対してバリア性を有するとする。なお、好ましくは、４００℃以下において、水素の放出が３．４×１０１４個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは、５００℃以下において、水素の放出が７．１×１０１４個／ｃｍ２以下で検出される膜であるとよい。また、より好ましくは、６００℃以下において、水素の放出が１．４×１０１５個／ｃｍ２以下で検出される膜であるとよい。
なお、詳細は後述するが、トランジスタ２００を構成する絶縁体２２２も、絶縁体２８２と同様に、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体２２２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。
絶縁体２８２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、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）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料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、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。
または、上述した絶縁体に、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、上述した絶縁体に対して、窒化処理しても良い。上述した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。
絶縁体２８６は、絶縁体２８０と同様の材料を用いることができる。なお、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６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。なお、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、トランジスタ２００は、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に埋め込まれた導電体２５２、および導電体２５６などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続される場合がある。この際、導電体２５２が、絶縁体２８０と接することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２５２に吸収される場合がある。
半導体装置に設けられるプラグや配線の形状、または個数によっては、絶縁体２８０が有する過剰酸素が不足し、トランジスタ２００が有する酸化物２３０の酸素欠損が補償されず、半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。従って、絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成する際に、導電体２５２に吸収される酸素量を加味して、設計する必要がある。
また、トランジスタ２００の周辺に形成される他の構造に含まれる不純物である水素は、プラグや配線に用いられる導電体を介して、該導電体と接する構造へと拡散する場合がある。
そこで、導電体２５２と、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０、およびバリア性を有する絶縁体２８２との間にバリア層２７６を設けるとよい。特に、バリア層２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２と接して設けられることが好ましい。さらに、バリア層２７６は、絶縁体２８６の一部とも接することが好ましい。バリア層２７６が、絶縁体２８６まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
つまり、バリア層２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２５２に吸収されることを抑制することができる。従って、トランジスタ２００が有する酸化物２３０の酸素欠損を補償するための過剰酸素は、導電体２５２に吸収されず、トランジスタ２００が有する酸化物２３０の酸素欠損の補償が妨げられることが無いため、半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
また、バリア層２７６を有することで、不純物である水素の拡散を抑制することができる。例えば、バリア層２７６を有することで、絶縁体２８２よりも絶縁体２８６側に形成される構成に含まれる水素が、導電体２５２を介して、トランジスタ２００と接する絶縁体２８０へ拡散することを抑制することができる。
また、バリア層２７６を有することで、半導体装置に設けられるプラグや配線の形状、個数、または位置に関わらず、絶縁体２８０が有する過剰酸素を、適切な値で設けることができる。また、水素の拡散を抑制することで、酸素欠陥ができにくくなるため、キャリア生成を抑えることができる。従って、トランジスタ２００に、過剰酸素を安定して供給することができるため、トランジスタ２００の電気特性が安定する。また、半導体装置を設計する際の自由度を高くすることができる。
また、バリア層２７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体２５２に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、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。
また、導電体２５２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。例えば、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。
なお、導電体２５２としては、例えば、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタルや、導電性が高いタングステンなどの単層、または積層を用いればよい。例えば、導電体２５２として、窒化タンタルと、タングステンの積層を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。また、窒化タンタル上に窒化チタンを形成し、窒化チタンをシード層としてタングステンを形成してもよい。また、導電体２５２として、酸化物２３０に接するようにタングステン、アルミニウム、およびチタンの少なくとも一つを含む導電体を形成することで、導電体近傍の酸化物２３０は低抵抗化する場合がある。導電体２５２の一層目に上記導電体を用いることで、導電体２５２と酸化物２３０のコンタクト抵抗は低減するため好ましい。例えば、導電体２５２として、一層目をタングステン、二層目を窒化チタン、三層目をタングステンとする積層構造は、コンタクト抵抗の観点から好ましい。
バリア層２７６には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、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。また、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
以上より、安定した電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。また、消費電力が小さい半導体装置を提供することができる。さらに、半導体装置を設計する際の自由度を高くすることができる。
＜トランジスタ構造１＞
以下では、トランジスタ２００の一例について説明する。
本実施の形態のトランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２０８、および絶縁体２０８上に配置された絶縁体２１０の上に、絶縁体２１２と、絶縁体２１２に埋め込まれるように配置された導電体２０３を有する。導電体２０３および絶縁体２１２の形成方法として、絶縁体２１２に溝やスリットなどの開口部を形成し、該開口部に導電体２０３を形成する、いわゆるダマシンプロセスを用いてもよい。または、導電体２０３を覆うように絶縁体２１２を形成し、絶縁体２１２の不要な部分を除去してもよい。
本実施の形態において、導電体２０３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、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２０３ａとして、水素に対するバリア性を有する導電体として、窒化タンタルや窒化チタン等を用い、導電体２０３ｂ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、絶縁体２０８、および絶縁体２０８より基板側に位置する素子に含まれる水素の、酸化物２３０側への拡散を抑制することができる。特に、絶縁体２１０が開口を有し、導電体２０３が絶縁体２１０より基板側に位置する素子と電気的に接続する場合、絶縁体２１０、および導電体２０３ａが水素に対するバリア性を有することで、上記効果が期待できるため、好ましい。なお、図１では、導電体２０３ａ、および導電体２０３ｂ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。例えば、導電体２０３ａとして、窒化タンタルを用い、導電体２０３ｂとして、窒化チタンとタングステンの積層を用いることが好ましい。
導電体２０３、および絶縁体２１２の上には、絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５が配置される。導電体２０５、および絶縁体２１６は、導電体２０３、および絶縁体２１２と同様に形成することができる。
絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、絶縁体２８０と同様、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には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。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の周辺材料に、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が有する酸化物２３０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。
また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体２２２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５、および導電体２０３が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料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、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。
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。
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、酸化物２３０ｃ上の酸化物２３０ｄと、を有する。トランジスタ２００をオンさせると、主として酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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２３０ｄは、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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。ただし、酸化物２３０ｃおよび酸化物２３０ｄの一方は設けなくてもよい。
図１（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ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、および酸化物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。
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄは、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、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）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。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、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。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、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、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。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。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、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。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）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、例えば、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。
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ナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、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指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制され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である。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、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。また、金属酸化物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（Ｖｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
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、異なるナノ結晶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、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。とくに、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍ、または数ｃｍ）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
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金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、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金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜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いう。例えば、金属酸化物は、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。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、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、金属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金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属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、金属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。
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属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、金属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。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属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により得られる金属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、金属酸化物において、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金属酸化物をチャネル形成領域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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の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、金属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、金属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金属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。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位をさす。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位とともに深い欠陥準位（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位をさす。
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位を低減することができる。
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体として用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。即ち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
このため、金属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、金属酸化物において、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金属酸化物をトランジスタのチャネル形成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。
＜低抵抗領域＞
酸化物２３０は、低抵抗領域を有する。領域２３１は、トランジスタ２００のチャネルが形成される領域と比較して、酸素濃度が低減され、低抵抗化した領域である。
領域２３１の酸素濃度を低減するには、例えば、酸化物半導体上に、金属元素を含む金属層、金属元素を有する窒化物層、または金属元素を有する酸化物層（金属元素を含む層）を設けるとよい。また、当該層を設けることで、当該層と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該層などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
また、酸化物半導体上に、金属元素を含む金属層、金属元素を有する窒化物層、または金属元素を有する酸化物層（金属元素を含む層）を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、領域２３１の酸素濃度は、より低減する。
また、酸化物２３０に、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加することで、領域２３１を形成してもよい。該元素の添加には、例えば、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、プラズマ処理などを用いることができる。
低抵抗化した領域２３１は、一方がトランジスタ２００のソースとして機能し、他方がドレインとして機能する。また、一対の領域２３１に挟まれる領域はトランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する。
上記金属元素として、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などを用いることが好ましい。より好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることができる。よって、金属元素を含む金属層としては、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、またはこれらの金属元素を２以上含む合金を含む層が好ましい。また、金属元素を有する窒化物層としては、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物（ＴｉＡｌＮｘ、またはＴｉＡｌｘＮｙ（以下、ｘ，ｙは、任意の数））、またはタンタルとアルミニウムを含む窒化物（ＴａＡｌＮｘ、またはＴａＡｌｘＮｙ）、などを含む層が好ましい。なお、上記金属元素を３以上含む窒化物を含む層でもよい。また、金属元素を含む酸化物層としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化タングステン、チタンとアルミニウムを含む酸化物（ＴｉＡｌＯｘ、またはＴｉＡｌｘＯｙ）、またはタンタルとアルミニウムを含む酸化物（ＴａＡｌＯｘ、またはＴａＡｌｘＯｙ）、などを含む層が好ましい。
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。すなわち、トランジスタ２００のチャネル形成領域の水素濃度は低減し、領域２３１の水素濃度と比較して、低くなる。また、領域２３１の水素濃度が増加する場合がある。
また、酸化物半導体に、上記金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する場合がある。酸化物半導体中に上記金属元素を添加するには、スパッタリング法を用いて、酸化物半導体上に上記金属元素を含む層を形成すればよい。
また、金属元素を含む金属層、金属元素を有する窒化物層、または金属元素を有する酸化物層（金属元素を含む層）と、酸化物半導体との界面に、化合物層（以下、異層ともいう。）が形成されていてもよい。化合物層は、酸化物層に接する金属元素を含む層に形成されていてもよいし、金属元素を含む層に接する酸化物層に形成されていてもよい。なお、化合物層（異層）とは、金属元素を含む層の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。また、化合物層には、窒素や酸素が含まれていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
領域２３１に上記金属元素が添加されることで、領域２３１はより低抵抗化するため、好ましい。また、領域２３１に上記化合物層が形成されることで、領域２３１はより低抵抗化するため、好ましい。また、領域２３１上に上記化合物層が形成されることで、後述する導電体２５２ａ、または導電体２５２ｂと、酸化物２３０とのコンタクト抵抗を低減することができるため、好ましい。
領域２３１を低抵抗化した後は、金属元素を含む層は除去することが好ましい。金属元素を含む層を除去することで、酸化物２３０ｂ上の金属元素を含む層による凹凸が低減し、その上に形成される絶縁体２５０や導電体２６０の平坦性が向上するため、好ましい。また、導電体２６０となる導電膜２６０Ａが酸化物２３０ｂ上において平坦性が向上すると、導電膜２６０Ａを、リソグラフィ法を用いて加工する際、アライメント精度が向上するため、所望のマスク形成や、加工が行えるため好ましい。また、金属元素を含む層が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、金属元素を含む層へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。金属元素を含む層を除去することで、酸化物２３０から吸収した水素も除去できるため好ましい。一方、金属元素を含む層の膜厚が、絶縁体２５０や導電体２６０の平坦性や被覆性に及ぼす影響が軽微である場合、金属元素を含む層は除去しなくてもよい。この場合、金属元素を含む層の除去のための工程が削減できるため、好ましい。例えば、金属元素を含む層は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けるとよい。
また、絶縁体２５０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、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）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料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。
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、比誘電率の高い絶縁体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、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、ゲート電極として機能する導電体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。
導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを含む積層構造としてもよい。例えば、導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成する。特に、ＡＬＤ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法等により成膜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。
また、導電体２６０ａとして、導電性酸化物を用いてもよい。例えば、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体２６０ａを設けることで、導電体２６０ｂへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体２６０ｂの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。
また、上記導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０のチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。
導電体２６０ａとして、上記のような導電性酸化物を用いた場合、導電体２６０ｂとして、スパッタリング法を用いて、窒化チタンおよびタングステンを積層して形成することが好ましい。窒化チタンを窒素を含む雰囲気で形成することで、導電体２６０ａに窒素が添加され、導電体２６０ａの抵抗はより低減する。
また、導電体２６０を覆うように、バリア層２７０を設けてもよい。絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、バリア層２７０は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。当該構成により、絶縁体２８０が有する過剰酸素領域の酸素が、導電体２６０と反応し、酸化することを防止することができる。
バリア層２７０には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムとアルミニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化ガリウムなどの、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。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。またバリア層２７０は、導電体２６０の酸化を防止する程度の膜厚で設けられていればよい。
バリア層２７０を有することで、導電体２６０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体２６０に、タングステンや、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。
また、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２２４、および絶縁体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。
上記構造を有することで、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、オフ電流が小さい酸化物半導体を有する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。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。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
ここで、ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、比誘電率の高いｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、トランジスタの微細化、および高集積化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比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。従って、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
また、特に、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。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体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、酸化物半導体を用いたトランジスタは、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体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。
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体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、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体として、酸化アルミニウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
例えば、絶縁体２２２、絶縁体２１０、および絶縁体２８７として、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体を用いればよい。なお、絶縁体２２２、および絶縁体２１０は、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、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）などを用いることが好ましい。
絶縁体２２０、絶縁体２２４、および絶縁体２５０、としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。
例えば、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０において、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、ハフニウムアルミネート、または酸化ハフニウムを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。一方、絶縁体２２４および絶縁体２５０において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、ハフニウムアルミネート、または酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８６は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８６は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。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、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
バリア層２７０としては、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体を用いればよい。バリア層２７０としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
＜＜導電体＞＞
導電体としては、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、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、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、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、導電体２０７、導電体２５２、および導電体２５６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、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
＜トランジスタ構造２＞
図２に、本発明の異なる態様のトランジスタを示す。図２（Ａ）は、トランジスタの上面図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル長方向の断面図をしめす。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのチャネル形成領域におけるチャネル幅方向の断面図をしめす。図２（Ｄ）は、図２（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタのソース領域、またはドレイン領域におけるチャネル幅方向の断面図をしめす。図２（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（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｂ上に金属元素を含む層２８５が残されている点で、前述のトランジスタ２００とは異なる。層２８５を除去する工程が削減される点で、製造工程が簡略化されるため、好ましい。
詳細は後述するが、酸化物２３０ｂ上に層２８５を形成後、加熱処理を行うことで、領域２３１は低抵抗化する。この時、領域２３１に含まれる酸素が層２８５に引き寄せられ、拡散することで領域２３１は低抵抗化すると考えられる。なお、図２（Ｂ）において、領域２３１は、酸化物２３０ｂの層２８５との界面付近に形成されている例を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。領域２３１は、酸化物２３０ｂと層２８５との界面から、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａとの界面付近まで拡散していてもよいし、さらに酸化物２３０ａまで拡散していてもよい。
また、層２８５と、酸化物２３０との界面に、層２８５の有する金属元素と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。該金属化合物が、領域２３１に形成されることで、領域２３１はより低抵抗化するため、好ましい。
領域２３１を低抵抗化する際、層２８５は、領域２３１の酸素を引き抜くことで、酸化する場合がある。領域２３１の低抵抗化後、層２８５が導電性を有する場合、層２８５は、トランジスタ２００のソース電極、またはドレイン電極として機能することができる。一方、層２８５が、酸化などにより、電極として十分な導電性が得られない場合、または絶縁性を有する場合、領域２３１と導電体２５２ａ、および導電体２５２ｂとの電気的な接続を行うために、少なくとも層２８５の一部を除去する必要がある。絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に開口を形成する際、層２８５にも開口を形成し、該開口内部に導電体２５２ａ、および導電体２５２ｂを形成すればよい。
＜トランジスタ構造３＞
図１（Ｂ）、および図２（Ｂ）における、酸化物２３０と、導電体２５２ａ、または導電体２５２ｂとの接続部について、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）を用いて説明する。図３は、図１（Ｂ）における破線２３９で囲まれた領域の拡大図である。以下に、図１に示したトランジスタ２００を用いて説明を行うが、図２に示したトランジスタ２００においても同様である。
絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に形成された開口は、酸化物２３０ｂを露出し、該開口内部に形成された導電体２５２ａは、酸化物２３０ｂと電気的に接続する。図３（Ａ）は、酸化物２３０ｂの表面、またはその近傍で導電体２５２ａと、酸化物２３０ｂと、が電気的に接続する様子を示している。酸化物２３０ｂ表面には低抵抗化した領域２３１が形成されており、導電体２５２ａは、領域２３１と電気的に接続している。
図３（Ｂ）は、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に開口を形成する際、酸化物２３０ｂの一部がエッチングされ凹部が形成されている。また、該凹部では、低抵抗領域である領域２３１ａが除去された部分に接するように導電体２５２ａが形成される様子を示している。
このとき、酸化物２３０ｂの該凹部と導電体２５２ａが接することで、該凹部も低抵抗化し、領域２３１ｂを形成する場合がある。導電体２５２ａに用いられる金属元素が、金属元素を含む層２８５と同様に作用することで、導電体２５２ａと接する領域２３１ｂは低抵抗化する。このため、開口部の形成により、開口部において、領域２３１ａの一部または全部が除去されたとしても、導電体２５２ａの形成や、後工程での加熱を伴う処理により、領域２３１ｂは低抵抗化するため、導電体２５２ａと、酸化物２３０とのコンタクト抵抗を低減することができる。
＜トランジスタ構造４＞
上記トランジスタ構造において、酸化物２３０と金属元素を含む層（層２８５）との界面に化合物層（異層）が形成される例を図３（Ｃ）、および図３（Ｄ）を用いて説明する。図３（Ｃ）は、図１（Ｂ）における破線２３９で囲まれた領域の拡大図である。図３（Ｄ）は、図２（Ｂ）における破線２４０で囲まれた領域の拡大図である。
図３（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｂの上面には、化合物層２９０が形成されており、導電体２５２ａ（導電体２５２ｂ）は、化合物層２９０を介して、酸化物２３０と電気的に接続している。化合物層２９０は、酸化物２３０ｂに含まれる成分と、金属元素を含み、導電性を有する。また、化合物層は、上記のほかに、酸素、および窒素の一方、または両方を含んでいてもよい。
化合物層２９０は、酸化物２３０に接して金属元素を含む層を形成し、加熱処理を行うことで形成される。加熱処理は、窒素を含む雰囲気下で行われることが好ましい。また、加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気、酸化性ガス雰囲気や、上記ガスの混合ガス雰囲気で行ってもよい。
上記加熱処理後に金属元素を含む層を除去する。上記工程により、酸化物２３０ｂ上に化合物層２９０が形成され、化合物層２９０の一部を覆うように酸化物２３０ｃが形成される。
一方、図３（Ｄ）においては、酸化物２３０ｂの上面に、化合物層２９０が形成されており、化合物層上に金属元素を含む層２８５が設けられている。絶縁体２８６、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および層２８５は、化合物層２９０を露出する開口を有し、該開口に設けられた導電体２５２ａ（導電体２５２ｂ）は、化合物層２９０を介して、酸化物２３０と電気的に接続している。化合物層２９０は、酸化物２３０ｂに含まれる成分と、層２８５に含まれる金属元素の一部を含み、導電性を有する。また、化合物層は、上記のほかに、酸素、および窒素の一方、または両方を含んでいてもよい。
化合物層２９０は、酸素の透過を抑制する機能を有する場合がある。この時、酸化物２３０ｂに含まれる酸素による層２８５の酸化が抑制され、層２８５は、導電性を有している場合がある。
層２８５が導電性を有する場合、該開口は形成しなくてもよい。この場合、導電体２５２ａ（導電体２５２ｂ）は、層２８５、および化合物層２９０を介して、酸化物２３０と電気的に接続する。
化合物層２９０は、酸化物２３０に接して層２８５を形成し、加熱処理を行うことで形成される。加熱処理は、窒素を含む雰囲気下で行われることが好ましい。また、加熱処理は、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気、酸化性ガス雰囲気や、上記ガスの混合ガス雰囲気で行ってもよい。該加熱処理により、層２８５は酸化し、導電率が低下する場合がある。また、層２８５が絶縁体になる場合がある。
上記加熱処理により、層２８５の一部が酸化物２３０に含まれる成分と反応し、化合物になると考えられる。また、蒸気加熱処理により、酸化物２３０の一部が層２８５に含まれる成分と反応し、化合物になる場合もある。上記工程により、酸化物２３０ｂと、層２８５との界面に化合物層２９０が形成される。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、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４乃至図１３を用いて説明する。また、図４乃至図１３において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に示す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（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４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（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２０８を成膜する。絶縁体２０８の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２０８として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２０８上に絶縁体２１０を形成する。本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に絶縁体２１０上に絶縁体２１２を形成する。絶縁体２１２の形成は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを形成する。
続いて、絶縁体２１２上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成する。絶縁体２１２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、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。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。
該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
導電膜のエッチングにハードマスクを用いる場合、当該エッチング処理は、ハードマスクの形成に用いたレジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。上記導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
続いて、該開口部、および絶縁体２１２上に、導電体２０３ａ、および導電体２０３ｂとなる導電膜を形成する。該導電膜は、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法またはＡＬＤ法が好ましい。
続いて、該導電膜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２１２が露出するまで、該導電膜の一部を除去することで、導電体２０３ａ、および導電体２０３ｂを形成する。導電体２０３ａ、および導電体２０３ｂをまとめて導電体２０３と呼ぶ場合がある。この際、絶縁体２１２をストッパ層として使用することもでき、絶縁体２１２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２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１６を形成する。絶縁体２１６の形成は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを形成する。
続いて、リソグラフィ法等を用いて絶縁体２１６に開口部を形成する。このとき、導電体２０３の少なくとも一部が露出するように開口部を形成する。
続いて、該開口部に埋め込まれるように、導電体２０５、および導電体２０７を形成する。導電体２０５、および導電体２０７は、導電体２０３と同様に形成することができる。本実施の形態では、窒化タンタル、窒化チタン、タングステンを、スパッタリング法や、ＣＶＤ法を用いて形成し、ＣＭＰ処理により不要な部分を除去することで、３層構造の導電体２０５、および導電体２０７を形成したが、本実施の形態はこれに限らない。導電体２０５、および導電体２０７は、１層構造、２層構造、または、４層以上の構造としてもよい。例えば、窒化タンタルまたは窒化チタンと、タングステンまたは銅を積層した２層構造の導電体を用いてもよい。
導電体２０５、および導電体２０７の形成において、ＣＭＰ処理を用いる場合、絶縁体２１６が薄くなる場合がある。
導電体２０３、導電体２０５、および導電体２０７の形成方法は上記に限らない。絶縁体２１０上に導電体２０３となる導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィ法を用いて加工し、導電体２０３を形成し、導電体２０３を覆うように絶縁体２１２を形成し、絶縁体２１２の不要な部分を除去してもよい。同様に、絶縁体２１２および導電体２０３上に導電体２０５、および導電体２０７となる導電膜を形成し、該導電膜を、リソグラフィ法を用いて加工し、導電体２０５、および導電体２０７を形成し、導電体２０５を覆うように絶縁体２１６を形成し、絶縁体２１６の不要な部分を除去してもよい。
次に、絶縁体２１６、導電体２０５、および導電体２０７上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体２２０として、酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを用いることができる。絶縁体２２０の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁体２２２として、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、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）などを用いることが好ましい。絶縁体２２２は、ＡＬＤ法により形成されることが好ましい。ＡＬＤ法により成膜された絶縁体２２２は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水は、トランジスタ２００の内側へ拡散することなく、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
絶縁体２２２として、例えば、酸化ハフニウムを用いる。絶縁体２２２の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
また、絶縁体２２２の形成において、基板を加熱しながら絶縁体２２２を形成することで、後工程で必要な基板の加熱処理を省略することができる。すなわち、絶縁体２２２の形成と、基板の加熱処理を兼ねることができる。
続いて、加熱処理を行うのが好ましい。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３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素また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素雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
上記加熱処理によって、絶縁体２２０および絶縁体２２２に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。さらに、酸素雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行うことで、絶縁体２２０および絶縁体２２２に酸素を供給できる場合がある。
または、加熱処理として、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２２内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。尚、上記加熱処理は行わなくても良い場合がある。
また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜前、および絶縁体２２０の成膜後のそれぞれに行うこともできる。該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜前後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行い、続けて酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なう。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２２４として、例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンを用いることができる。絶縁体２２４の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
また、絶縁体２２２の形成後に加熱処理を行わない場合は、絶縁体２２２と絶縁体２２４を連続で形成してもよい。また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を連続で形成してもよい。
絶縁体２２４の成膜後に上記の加熱処理を行ってもよい。加熱処理により、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａ、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを形成する（図４参照。）。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの形成はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって形成する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって形成する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
特に、酸化膜２３０Ａの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。なお、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
酸化膜２３０Ａの膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。本実施の形態では、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５ｎｍの酸化膜２３０Ａを形成する。また、酸化膜２３０Ｂの膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好ましくは、１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下とする。本実施の形態では、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚１５ｎｍの酸化膜２３０Ｂを形成する。なお、酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
酸化膜２３０Ａの形成後、酸化膜２３０Ｂの形成は、大気雰囲気に曝すことなく、連続で行われることが好ましい。酸化膜２３０Ａの形成、および酸化膜２３０Ｂの形成は、マルチチャンバ式の成膜装置を用いることで、当該酸化膜が形成される基板は、酸化膜２３０Ａの形成を開始してから、酸化膜２３０Ｂの形成が終了するまで、減圧雰囲気下とすることができ、酸化膜２３０Ａの表面を大気雰囲気に曝すことなく、酸化膜２３０Ａ上に酸化膜２３０Ｂを形成することができる。酸化膜２３０Ａの形成、および酸化膜２３０Ｂの形成を連続で行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの界面の汚染を防ぐことができ、これらの酸化膜を用いた半導体装置は、良好な特性および高い信頼性を有することができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって形成する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって形成する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜し、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ形成は、マルチチャンバ式のスパッタリグ装置を用い、大気雰囲気に曝すことなく連続で行う。なお、酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
続いて、酸化膜２３０Ｂ上に、金属元素を含む膜２８５Ａを形成する（図５参照。）。膜２８５Ａは、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの加工において、ハードマスクとして用いることが好ましい。なお、膜２８５Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２８５Ａは、金属元素を含む金属層、金属元素を有する窒化物層、または金属元素を有する酸化物層（金属元素を含む層）を用いる。膜２８５Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２８５Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、膜２８５Ａは、スパッタリング法によって、チタンとアルミニウムを含むターゲットを用いて形成し、リソグラフィ法を用いて島状に加工することで得られる。この時ターゲットに含まれるチタンとアルミニウムの比は、１：４から４：１の間、好ましくは、２：３から３：２の間、より好ましくは１：１とする。膜２８５Ａの形成に用いるガスは、窒素または酸素を含むことが好ましい。例えば、窒素とアルゴンの混合ガスや、酸素とアルゴンの混合ガスを用いることが好ましい。このように形成された膜２８５Ａは、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を含み、さらに窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）を含むため、ＴｉＡｌＮｘ（またはＴｉＡｌｘＮｙ（以下、ｘ，ｙは、任意の数））またはＴｉＡｌＯｘ（またはＴｉＡｌｘＯｙ）と表記することができる。
金属元素を含む膜として、ＴｉＡｌＮｘ、およびＴｉＡｌＯｘの他に、アルミニウムを含む、窒化アルミニウムや、酸化アルミニウム、タンタル（Ｔａ）およびアルミニウムを含む、ＴａＡｌＮｘ（またはＴａＡｌｘＮｙ）や、ＴａＡｌＯｘ（またはＴａＡｌｘＯｙ）などを用いることができる。
続いて、島状の膜２８５Ａをマスクとして酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを加工して、島状の酸化物２３０ａ、および島状の酸化物２３０ｂを形成する（図６参照。）。このとき、図示しないが、膜２８５Ａの加工に用いたマスクを、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの加工に用いてもよい。
続いて、リソグラフィ法を用いて膜２８５Ａを加工し、酸化物２３０ｂ上に、層２８５を形成する（図７参照。）。
続いて、加熱処理を行う。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３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。
窒素を含む雰囲気下での熱処理により、酸化物２３０、特に層２８５との界面近傍の領域２３１に含まれる酸素が層２８５に吸収される場合がある。その結果、領域２３１は低抵抗化する（図８参照。）。一方、層２８５は、領域２３１から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。高抵抗化した層２８５は、層間膜として用いてもよい。
図８では、領域２３１が、酸化物２３０の層２８５との界面近傍に形成される例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２３１は、酸化物２３０ｂの内、層２８５と重なる領域に形成されていてもよい。また、領域２３１は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの内、層２８５と重なる領域に形成されていてもよい。別言すると、領域２３１は、酸化物２３０ｂと層２８５との界面から、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａとの界面まで広がっていてもよいし、酸化物２３０ｂと層２８５との界面から、酸化物２３０ａと絶縁体２２４との界面まで広がっていてもよい。
また、層２８５に、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性ガス雰囲気下で加熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。層２８５を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
その場合、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で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３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
窒素または不活性ガス雰囲気での加熱処理により、層２８５は、酸化物２３０の領域２３１に含まれる酸素により一部が酸化し、その後、酸化性ガス雰囲気下での加熱処理により層２８５全体が酸化する。
上記層２８５の形成工程、または加熱処理において、領域２３１に含まれる酸素が、層２８５に吸収されることで、領域２３１に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１のキャリア密度は増加する。従って、領域２３１はｎ型となり、低抵抗化される。
また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、トランジスタ２００のチャネルが形成される領域に存在する水素は、２５０℃以上の熱処理によって、拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、チャネル形成領域は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
また、層２８５から、層２８５の成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が層２８５へと、拡散し、酸化物２３０と、層２８５の界面に金属化合物を形成し、低抵抗化することがある。酸化物２３０と層２８５の界面に形成される金属化合物は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、該金属化合物は、領域２３１の一部に形成されることが好ましい。
次に、層２８５を除去する（図９参照。）。例えば、層２８５を除去する方法として、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。層２８５を除去することで、酸化物２３０上の凹凸が低減され、平坦性が向上するため好ましい。すなわち、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域の上面と、層２８５の上面との高さの差に比べで、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域の上面と、領域２３１の上面との高さの差は小さい。よって、後工程にて形成される絶縁体２５０、および導電体２６０は、平坦性が向上した酸化物２３０上に形成されるため、カバレッジ不良や、導電体２６０と酸化物２３０との間の電界集中といった不具合が抑制される。また、層２８５を除去することで、層２８５に吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００中の不純物である水素を低減することができる。このような工程によって作製された半導体装置は、良好な特性を有し、信頼性が向上する。
なお、層２８５は除去しなくてもよい。層２８５の抵抗が十分低い場合、層２８５はソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体として用いることができる。また、層２８５が絶縁体、または抵抗値が高く、導電体として用いることができない場合は、層間膜として機能させてもよい。
また、酸化物２３０に対して、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加することで、領域２３１を形成してもよい。該元素の添加には、例えば、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、プラズマ処理などを用いることができる。このとき、酸化物２３０のチャネルが形成される領域上に、ダミーゲートを設け、該ダミーゲートをマスクとして該元素の添加を行うことで、領域２３１に選択的に該元素を添加することができる。
ダミーゲートは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ形成後、膜２８５Ａ上に形成してもよいし、層２８５形成後、酸化物２３０ｂと接するように形成してもよい。また、層２８５形成後の加熱処理により領域２３１を形成した後にダミーゲートを形成し、該元素の添加を行ってもよい。また、層２８５を用いた領域２３１の形成を行わなくてもよく、その場合、必ずしも膜２８５Ａを形成する必要はない。このとき、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの加工は、酸化膜２３０Ｂ上に別途マスクを設け、該マスクを用いて行うことができる。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ形成後に、酸化物２３０ｂ上にダミーゲートを形成し、該元素の添加を行うことで領域２３１を形成することができる。
次に、酸化膜２３０Ｃ、酸化膜２３０Ｄ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを形成する（図１０参照。）。
例えば、酸化膜２３０Ｃとして、酸化物２３０ｂと同様の酸化物を用いる。また、酸化膜２３０Ｄとして、酸化物２３０ａと同様に、過剰酸素を含む酸化物を用いる。酸化膜２３０Ｄに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃに酸素を供給することができる。
また、酸化物２３０ａと同様に、酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給され、過剰酸素領域を形成する場合がある。また、絶縁体２２４中に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４から放出される。よって、絶縁体２２４中の水素濃度を低減することができる。
なお、酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄを形成後に、酸素ドープ処理、または加熱処理の一方、あるいは両方を行ってもよい。加熱処理を行うことで、酸化物２３０ａおよび酸化膜２３０Ｄに含まれる酸素を酸化物２３０ｂ、および酸化膜Ｃに供給することができる。酸化物２３０ｂ、および酸化膜Ｃに酸素を供給することで、酸化物２３０ｂ、および酸化膜Ｃ中の酸素欠損を低減することができる。よって、酸化物２３０ｂ、および酸化膜Ｃに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、および酸化膜Ｄに過剰酸素を含む半導体を用いることが好ましい。
酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域の上面および側面は、酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄによって覆われる。このようにして、酸化物２３０ｂを、酸化物２３０ａと、酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄで取り囲むことができる。酸化物２３０ｂを、酸化物２３０ａと、酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄで取り囲むことで、後の工程において生じる不純物の酸化物２３０ｂへの拡散を抑制することができる。
例えば、絶縁膜２５０ＡとしてＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを形成する。なお、絶縁膜２５０Ａは過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。また、絶縁膜２５０Ａに酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁膜２５０Ａ形成後に、加熱処理を行ってもよい。
例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、窒化チタンを形成する。また、例えば、導電膜２６０Ｂとして、スパッタリング法により、タングステンを形成する。また、導電膜２６０Ａとして、酸化膜を用いてもよい。導電膜２６０Ａとして、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃと同様の材料を、スパッタリング法を用いて形成することで、絶縁膜２５０Ａに酸素を供給することができるため好ましい。この場合、導電膜２６０Ｂとして、窒化チタンとタングステンを積層して形成してもよい。
次に、導電膜２６０Ｂ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂの一部を選択的に除去して、導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ）を形成する（図１１参照。）。
次に、バリア層２７０となる絶縁膜を形成する。例えば、該絶縁膜として、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法、またはスパッタリング法により酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどを形成する。
次に、該絶縁膜上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、該絶縁膜の一部、絶縁膜２５０Ａの一部、酸化膜２３０Ｄの一部、および酸化膜２３０Ｃの一部を選択的に除去して、バリア層２７０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｃを形成する（図１２参照。）。
例えば、導電体２６０に用いる材料によっては、熱処理などの後工程において、導電体２６０が酸化し、抵抗値が高くなる可能性がある。また、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃに過剰酸素を供給する場合において、酸素が導電体２６０に吸収されてしまう場合がある。バリア層２７０を設けることで、導電体２６０の酸化を抑制し、酸化物２３０に供給される酸素が不足することを抑制することができる。
なお、バリア層２７０を形成した後に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、酸化物２３０中の不純物を除去する。
続いて、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２５０、およびバリア層２７０を覆うように、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。
なお、絶縁体２８０に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁体２８０の成膜を行えばよい。または、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してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
例えば、成膜後の絶縁体２８０に酸素（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）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。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。
また、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。
続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２（絶縁体２８２ａ、絶縁体２８２ｂ）を形成する。絶縁体２８２ａ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２８２ａ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の酸素欠損を補填することができる。
従って、絶縁体２８２ａ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２８２ａ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。例えば、絶縁体２８２ａに、バリア性を有する酸化アルミニウムを用いることで、絶縁体２８０に導入した過剰酸素を、トランジスタ２００側に、効果的に封じ込めることができる。また、絶縁体２８２ａの成膜前、および成膜中の少なくとも一方において基板を加熱することで、絶縁体２８０に含まれる水素を除去することができるため好ましい。基板の加熱は、スパッタリング装置で行うことが好ましく、特に絶縁体２８２ａを成膜する成膜室にて行われることが好ましい。スパッタリング装置にて加熱処理を行うことができない場合は、炉やオーブンを用いて加熱処理を行い、加熱処理後、速やかに絶縁体２８２ａを形成すればよい。
絶縁体２８２ａ上には、絶縁体２８２ｂを形成することが好ましい。絶縁体２８２ｂの形成には、成膜被覆性の優れたＡＬＤ法を用いることが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、酸化物２３０や導電体２６０によって生じた段差部においても均一な厚さを有する絶縁体２８２ｂを形成することができる。また、絶縁体２８２ａにピンホールや、段差部における未成膜部分などの成膜不良があったとしても、絶縁体２８２ｂでこれらを覆うことができるため好ましい。
続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８６を形成する（図１３参照。）。
例えば、絶縁体２８６として、ＣＶＤ法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体２８６は、絶縁体２８２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。
続いて、絶縁体２８６、絶縁体２８２、および絶縁体２８０に、酸化物２３０に到達する開口を、絶縁体２８６、絶縁体２８２、および絶縁体２８０、およびバリア層２７０に、導電体２６０に到達する開口を、絶縁体２８６、絶縁体２８２、および絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に、導電体２０７に到達する開口を形成する。なお、酸化物２３０に到達する開口を形成する際、酸化物２３０上に高抵抗化した層２８５が残っている場合、層２８５にも開口を形成する。一方、層２８５が導電性を有する場合は、層２８５に到達する開口を形成すればよい。
次に、該開口において、バリア層２７６を形成する。例えば、該開口、および絶縁体２８６上に、バリア層２７６となる絶縁膜として、酸化アルミニウムをＡＬＤ法により形成し、余分な絶縁膜を除去することで、バリア層２７６を形成する。例えば、絶縁膜に対して、酸化物２３０、導電体２６０、および導電体２０７が露出するまで、エッチバック処理を行うことで、バリア層２７６を形成することができる。
なお、上記エッチバック処理の後に、洗浄を行うことが好ましい。洗浄工程を行うことで、開口内に残る絶縁膜のエッチング残渣を除去することができる。洗浄には、例えば、レジストの剥離液のようなアルカリ性溶液を用いることができる。
また、エッチング処理により、露出した酸化物２３０、導電体２６０、および導電体２０７の表面に、酸化物などの異層が生じる場合がある。なお、異層とは、開口が形成される絶縁体の成分や、バリア層２７６の成分を含む残渣物を有する層、または酸化物２３０、導電体２６０、および導電体２０７の成分を含む生成物を有する層である。また、該残渣物および該生成物が複合し、異層となる場合もある。当該異層が、絶縁性である場合、酸化物２３０、導電体２６０、および導電体２０７とのコンタクト抵抗が低下するため、除去することが好ましい。
生じた異層は、成分や形状に応じて、ウェットエッチングや、プラズマ処理などを行うことで、除去することができる。例えば、酸化アルミニウムに由来する異層を除去するには、例えば、アルゴン（Ａｒ）などの希ガスを含む雰囲気下でプラズマ処理を行うとよい。また、窒化タンタルに由来する異層を除去するには、ＣＦ４、ＢＣｌ３、ＮＦ３、およびＳＦ６などのポリマーを生じにくく、ハロゲンを含むガスなどの雰囲気下で、プラズマ処理を行うとよい。
また、この時、少なくとも、バリア層２７６は、絶縁体２８０、および絶縁体２８２の一部において、開口の側面を覆うことが好ましい。当該構造とすることで、絶縁体２８０と、トランジスタ２００を封止することができる。従って、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素が、導電体２５２に吸収されることを抑制することができる。また、導電体２５２を介して、不純物である水素が、絶縁体２８０へ拡散することを抑制することができる。
バリア層２７６を有することで、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、バリア層２７６を有することで、半導体装置に設けられるプラグや配線の形状、個数、または位置に関わらず、トランジスタ２００に、過剰酸素を安定して供給することができる。また、水素の拡散を抑制することで、酸素欠陥ができにくくなるため、キャリア生成を抑えることができる。従って、トランジスタ２００の電気特性が安定する。また、半導体装置を設計する際の自由度を高くすることができる。
次に、導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、導電体２５２ｄ）を形成する。例えば、導電体２５２は、導電体２０３や、導電体２０５と同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。本実施の形態では、導電体２５２として、窒化チタンとタングステンの２層積層構造を用いることができる。また、タングステン、窒化チタン、およびタングステンの３層積層構造を用いることができる。導電体２５２の最下層には、導電体２５２と接続する酸化物２３０を低抵抗化できる材料を用いることが好ましい。
導電体２５２と電気的に接続する導電体２５６を設けてもよい。絶縁体２８６、および導電体２５２上に導電体２５６となる導電膜を形成し、リソグラフィ法を用いて不要な部分を除去することで導電体２５６を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。
本発明の一態様により、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することが可能となる。
または、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可能となる。本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可能となる。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可能となる。
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可能となる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１４および図１５を用いて説明する。
［記憶装置１］
図１４（Ａ）および図１５に示す記憶装置は、トランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ３００と、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ため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１４（Ａ）および図１５に示す記憶装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２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１００３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１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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１００５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１４（Ａ）および図１５に示す記憶装置は、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１００４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１００３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ＳＮ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１００４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ＳＮ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ＳＮ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１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮ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１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５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ＳＮ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ＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５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ＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５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１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１４（Ａ）および図１５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３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、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３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂ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３１３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３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂ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３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３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。
絶縁体３１５は、トランジスタ３００のゲート絶縁膜として機能する。
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、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、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１４（Ａ）および図１５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。
ここで、図１４（Ａ）および図１５において、Ｗ１−Ｗ２で示すトランジスタ３００のＷ幅方向の断面図を、図１４（Ｂ）に示す。図１４（Ｂ）に示すように、トランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５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。
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の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）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、例えば、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）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、膜の表面温度が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３２６の比誘電率は、絶縁体３２４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する。また、プラグまたは配線として機能する導電体は、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３５４、および導電体３５６の上方には絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、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。
絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６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、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６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２１２、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２１２、および絶縁体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２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、導電体２０３、および導電体２０５など、トランジスタ２００を構成する導電体が埋め込まれている。なお、導電体２０３、および導電体２０５は、トランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ３００を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２０３、および導電体２０５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２１０、および絶縁体２１２と接する領域の導電体２０３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、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いればよい。また、図１４（Ａ）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。
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１５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、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１５において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３６６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３６０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３６６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３６０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。
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１５において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３７６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３７０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３７６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３７０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。
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１５において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３８６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３８０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３８６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３８０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。
絶縁体３８４、および導電体３８６上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられ、さらに絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８６上には容量素子１００が設けられている。
容量素子１００は、導電体２５６と同じ材料からなる導電体１１０と、絶縁体１３０と、導電体１２０と、を有する。導電体１１０は、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と電気的に接続される。また、導電体１２０は、絶縁体１３０を間に介して、導電体１１０と重なるように設けられる。ここで、絶縁体１３０は、容量素子１００の誘電体として機能する。
例えば、誘電体として機能する絶縁体１３０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、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、ハフニウムアルミネートなどを用いればよく、積層または単層で設ける。例えば、酸化アルミニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料の積層構造とすることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、ｈｉｇｈ−ｋ材料により十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい材料により絶縁耐力が向上するため、容量素子１００の静電破壊を抑制し、容量素子１００の信頼性を向上させることができる。また、絶縁体１３０を、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウムを順に積層した積層構造とすることで、容量素子１００は、より大きな容量値を得ることができ、好ましい。
導電体１２０は、絶縁体１３０を間に介して、導電体１１０の側面を覆うように配置されると、容量値を増加させることができるため、好ましい。例えば、導電体１２０の少なくとも一辺が、導電体１１０の一辺より長いことが好ましい。一方、導電体１２０は、基板の法線方向から見て、導電体１１０の内側に設けられる構造を有していてもよい。
ここで、図１５では、導電体３３０と、絶縁体２１０の間に、導電体３５６を含む層、導電体３６６を含む層、導電体３７６を含む層、および導電体３８６を含む層の４層を設ける例を示したが、本実施の形態はこれに限定されない。導電体３３０と、絶縁体２１０の間に設けられる層は、導電体３５６を含む層のみでもよいし、２層、３層、または５層以上設けてもよい。または、導電体３３０と、絶縁体２１０の間には、導電体を含む層を設けなくてもよい。
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。
＜記憶装置２＞
図１６に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１６を用いて説明する。
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１６（Ａ）に示す。また、図１６（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１６（Ｂ）に示す。
基板（図示せず）の上に形成されたトランジスタ２００およびトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。
図１６に示すように、トランジスタ２００は、ゲートが配線１００４と、ソースおよびドレインの一方が配線１００３と、ソース及びドレインの他方が容量素子１００の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子１００の電極の他方が配線１００５と電気的に接続される。また、トランジスタ４００のドレインが配線１０１０と電気的に接続される。また、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００のボトムゲートと、トランジスタ４００のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線１００６、配線１００７、配線１００８、および配線１００９を介して電気的に接続される。
ここで、配線１００４に電位を印加することで、トランジスタ２００のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ２００をオン状態として、配線１００３に電位を印加することで、トランジスタ２００を介して、容量素子１００に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ２００をオフ状態にすることで、容量素子１００に供給された電荷を保持することができる。また、配線１００５は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ２００と容量素子１００の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線１００５に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線１０１０に負の電位を印加することで、トランジスタ４００を介して、トランジスタ２００のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ２００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。ここで、Ｉｃｕｔとは、トップゲートに印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流のことを指す。
トランジスタ４００のトップゲート及びボトムゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースとトランジスタ２００のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線１０１０によって、トランジスタ２００のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００のＩｃｕｔが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ２００より大きいので、この構成とすることにより、トランジスタ４００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。
さらに、トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ２００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のＩｃｕｔを非常に小さくすることができる。つまり、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、容量素子１００に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。
なお、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００の接続関係は、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。
＜記憶装置２の構造＞
図１６（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１６に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶装置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。
本発明の一態様の記憶装置は、図１６に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、ならびに図１４（Ａ）、および図１５で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図１６に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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４００は、トランジスタ２００と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０を覆う絶縁体４７０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４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃ、および酸化物４３０ｄと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。ここで、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂにおいて、少なくとも酸化物４３１ｂには、低抵抗領域４３３が設けられており、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂにおいて、少なくとも酸化物４３２ｂには、低抵抗領域４３４が設けられている。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと同じ層である。酸化物４３０ｄは、酸化物２３０ｄと同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。また、絶縁体４７０は、バリア層２７０と、同じ層である。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃ、および酸化物４３０ｄは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
また、上記の通り、酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと同じ層である。よって、酸化物４３１ａ、酸化物４３２ａ、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂには、領域２３１ａおよび領域２３１ｂに相当する低抵抗領域４３３、および低抵抗領域４３４がそれぞれ形成されている。
本構造を用いることで、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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
＜記憶装置３＞
図１７に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１７を用いて説明する。
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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを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ため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１７において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２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１００３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１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のボトムゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
図１７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１００４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１００３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ＳＮ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１００４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ＳＮ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ＳＮ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１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮ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１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５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ＳＮ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ＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５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ＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５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１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置３の構造＞
図１７は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１７に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶装置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。
本発明の一態様の記憶装置は、図１７に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図１４乃至図１６で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図１７に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
図１７に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
本構造を用いることで、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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
＜メモリセルアレイの構造＞
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１８に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
なお、図１８に示す記憶装置は、図１４、図１５、および図１７に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトムゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
従って、図１８には、図１７に示すトランジスタ４００は省略する。図１８は、図１４、および図１７に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
また、図１７と、トランジスタ３００の構成が異なる。図１８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３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５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１８に示す記憶装置では、メモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂが隣接して配置されている。メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂは、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有し、配線１００１、配線１００２、配線１００３、配線１００４、配線１００５、および配線１００６と電気的に接続される。また、メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子１００の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＳＮとする。なお、配線１００２は隣接するメモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂで共通の配線である。
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、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮ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、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮ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、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。
本構造を用いることで、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、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
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３）
本実施の形態では、上記実施の形態に示す半導体装置を用いたインバータ回路について説明を行う。なお、本明細書中において、高電源電圧をＨレベル（又はＶＤＤ）、低電源電圧をＬレベル（又はＧＮＤ）と呼ぶ場合がある。
＜インバータ回路の構成例＞
図１９（Ａ）に示す回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１と、直列に接続されたトランジスタＭ１、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３と、を有する。回路ＩＮＶは、インバータ回路としての機能を有する。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３はｎチャネル型トランジスタである。回路ＩＮＶはｎチャネル型のトランジスタのみで構成されているので、ＣＭＯＳトランジスタで構成されるインバータ回路と比べて、製造コストを低減させることができる。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３として、上記実施の形態に示すトランジスタ２００を用いることが好ましい。
トランジスタＭ１は、互いに電気的に接続された第１ゲートと第２ゲートを有する。第１ゲートと第２ゲートとは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有する。トランジスタＭ２、Ｍ３についても同様である。なお、第１ゲートをフロントゲート、第２ゲートをバックゲートという場合がある。
回路ＩＮＶは、端子ＩＮ、端子ＯＵＴ、端子ＣＬＫおよび端子ＣＬＫＢを有する。端子ＩＮは入力端子として機能し、端子ＯＵＴは出力端子として機能する。端子ＣＬＫはクロック信号が入力され、端子ＣＬＫＢは端子ＣＬＫに入力されるクロック信号の反転信号が入力される。
また、回路ＩＮＶは、電源電圧としてＶＤＤ、ＶＳＳが供給される。ＶＤＤは、高電源電圧であり、トランジスタＭ１のドレインに入力される。ＶＳＳは、低電源電圧であり、トランジスタＭ３のソースに入力される。
トランジスタＭ１において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ２のドレインに電気的に接続される。
トランジスタＭ２において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫＢに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ３のドレインに電気的に接続される。
トランジスタＭ３において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＩＮに電気的に接続される。
容量素子Ｃ１の第１端子はトランジスタＭ１のソースに電気的に接続される。容量素子Ｃ１の第２端子はＶＳＳが入力される。
端子ＯＵＴは、トランジスタＭ１のソース、トランジスタＭ２のドレインおよび容量素子Ｃ１の第１端子に電気的に接続される。
なお、容量素子Ｃ１は配線の寄生容量やトランジスタのゲート容量で代用してもよい。その場合、これらの半導体装置の占有面積を小さくすることができる。
次に、回路ＩＮＶの動作について説明を行う。
図１９（Ｂ）は回路ＩＮＶの動作を説明するためのタイミングチャートである。それぞれ、端子ＩＮ、ＣＬＫ、ＣＬＫＢ、ＯＵＴの電位変化を表している。また、図１９（Ｂ）を期間Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３つの期間に分類している。
端子ＩＮは、期間Ｐ１乃至Ｐ３の間、Ｈレベルが与えられている。すなわち、期間Ｐ１乃至Ｐ３において、トランジスタＭ３はオンになっている。
期間Ｐ１において、端子ＣＬＫに電位ＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢに電位ＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。このとき、容量素子Ｃ１にＶＤＤが供給され、容量素子Ｃ１は充電（プリチャージ）を開始する。
なお、ＶＨは、ＶＤＤとトランジスタＭ１のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を足し合わせた電圧（ＶＤＤ＋Ｖｔｈ）以上にすることが好ましい。そうすることで、端子ＯＵＴにＶＤＤを正確に伝えることができる。ＶＬは低電源電圧（又はＧＮＤ）とすればよい。なお、ＶＨを高電位、ＶＬを低電位と呼ぶ場合もある。
期間Ｐ２において、端子ＣＬＫにＶＬが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＨが入力される。トランジスタＭ１はオフになり、トランジスタＭ２はオンになる。このとき、トランジスタＭ３はオンであるため、容量素子Ｃ１の第１端子とトランジスタＭ３のソースが導通状態になり、容量素子Ｃ１は放電を開始する。最終的に端子ＯＵＴはＬレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
期間Ｐ３において、端子ＣＬＫにＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。期間Ｐ１と同様に、容量素子Ｃ１は再びプリチャージを開始する。
期間Ｐ１乃至Ｐ３における端子ＩＮの入力をＬレベルとした場合、期間Ｐ２において、端子ＯＵＴはＨレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
以上より、回路ＩＮＶは端子ＣＬＫがＶＨのときに容量素子Ｃ１のプリチャージを行い、端子ＣＬＫがＶＬのときにインバータ回路として動作することがわかる。
また、回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１の充電と放電を繰り返すことで動作するダイナミックロジック回路として機能することがわかる。トランジスタＭ１は容量素子Ｃ１を充電するプリチャージ用のトランジスタとして機能し、トランジスタＭ２は容量素子Ｃ１に蓄積された電荷を放電するディスチャージ用のトランジスタとして機能する。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３は、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。オフ電流が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域に金属酸化物または酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）が挙げられる。なお、ここでオフ電流が小さいとは、トランジスタのオフ電流が、好ましくは１０−１８Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２１Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２４Ａ／μｍ以下のことを言う。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、回路ＩＮＶは貫通電流を小さくすることができる。その結果、回路ＩＮＶは消費電力を低減させることができる。
また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子Ｃ１にプリチャージされた電荷が、リーク電流によって失われずに済む。その結果、回路ＩＮＶはより正確にデータを伝えることができる。
トランジスタＭ１は、フロントゲートとバックゲートを電気的に接続することで、フロントゲートとバックゲートから同時に半導体層にゲート電圧を印加することが可能になり、オン電流を増大させることができる。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３についても同様である。その結果、回路ＩＮＶは、動作周波数の高いインバータ回路を実現することができる。
回路ＩＮＶは、端子ＩＮをトランジスタＭ２のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続し、端子ＣＬＫＢをトランジスタＭ３のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続してもよい。
また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートは、トップゲートと異なる電位を与えてもよい。例えば、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートに共通の固定電位を与えてもよい。そうすることで、回路ＩＮＶは、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のしきい値電圧を制御することができる。
また、回路ＩＮＶは、場合によっては、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のバックゲートを全て省略してもよい。その場合、回路ＩＮＶは製造工程を簡略化することができる。
以上、回路ＩＮＶは消費電力が小さく単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。また、動作周波数が高く単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。
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４）
本実施の形態では、図２０乃至図２２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。）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭについて説明する。ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）とは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ。）が適用されている。ＯＳメモリは、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メモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリ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。
＜＜ＮＯＳＲＡＭ＞＞
図２０にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図２０に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）１６６３を有する。
ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
＜メモリセル＞
図２１（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
図２１（Ａ）の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図２１（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
図２１（Ｃ）乃至図２１（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図２１（Ｃ）乃至図２１（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図２１（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
図２１（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
図２１（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
図２１（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１乃至メモリセル１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。
上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
図２２はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図２２に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
以下では、図２２に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジス、タＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
図２２に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ。）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１４に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
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５）
本実施の形態では、図２３および図２４を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）とは、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。ＤＯＳＲＡＭも、ＮＯＳＲＡＭと同様に、ＯＳメモリが適用されている。
＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図２３にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図２３に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ。）を有する。
行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲを有する。
（ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞−１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図２４（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図２４（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
図２４（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される、ペア状の一組のメモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトランジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。
トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジスタＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａのゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。また、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に電気的に接続されている。このように、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）がトランジスタＭＷ１ａの第１端子とトランジスタＭＷ１ｂの第１端子に共通で用いられる。
トランジスタＭＷ１は容量素子ＣＳ１の充放電を制御する機能をもつ。容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、１４４５ｂに用いる場合、トランジスタＭＷ１ａ、またはトランジスタＭＷ１ｂとしてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＳ１ａ、または容量素子ＣＳ１ｂとして容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞−１４２６＜Ｎ−１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対と間を導通状態にする機能を有する。
ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。
（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
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、図２５から図２８を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）について説明する。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリが適用されている。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ−ＦＰＧＡ」と呼ぶ。
＜＜ＯＳ−ＦＰＧＡ＞＞
図２５（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図２５（Ａ）に示すＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替え、細粒度パワーゲーティング、ＮＯＦＦ（ノーマリーオフ）コンピューティングが可能である。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、コントローラ３１１１、ワードドライバ３１１２、データドライバ３１１３、プログラマブルエリア３１１５を有する。
プログラマブルエリア３１１５は、２個の入出力ブロック（ＩＯＢ）３１１７、コア３１１９を有する。ＩＯＢ３１１７は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア３１１９は、複数のロジックアレイブロック（ＬＡＢ）３１２０、複数のスイッチアレイブロック（ＳＡＢ）３１３０を有する。ＬＡＢ３１２０は複数のＰＬＥ３１２１を有する。図２５（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図２５（Ｃ）に示すようにＳＡＢ３１３０はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック（ＳＢ）３１３１を有する。ＬＡＢ３１２０は自身の入力端子と、ＳＡＢ３１３０を介して４（上下左右）方向のＬＡＢ３１２０に接続される。
図２６（Ａ）乃至図２６（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図２６（Ａ）に示すＳＢ３１３１には、ｄａｔａ、ｄａｔａｂ、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］、ｗｏｒｄ［１：０］が入力される。ｄａｔａ、ｄａｔａｂはコンフィギュレーションデータであり、ｄａｔａとｄａｔａｂは論理が相補的な関係にある。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０のコンテキスト数は２であり、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］はコンテキスト選択信号である。信号ｗｏｒｄ［１：０］はワード線選択信号であり、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される配線がそれぞれワード線である。
ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、３１３３［１］は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ（ＣＭ）を有する。なお、ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とを区別しない場合、ＰＲＳ３１３３と呼ぶ。他の要素についても同様である。
図２６（Ｂ）にＰＲＳ３１３３［０］の回路構成例を示す。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは同じ回路構成を有する。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］、ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、ｗｏｒｄ［１］はＰＲＳ３１３３［１］に入力される。例えば、ＳＢ３１３１において、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”になることで、ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブになる。
ＰＲＳ３１３３［０］は、ＣＭ３１３５、ＳｉトランジスタＭ３１を有する。ＳｉトランジスタＭ３１は、ＣＭ３１３５により制御されるパストランジスタである。ＣＭ３１３５は、メモリ回路３１３７、３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、３１３７Ｂは同じ回路構成である。メモリ回路３１３７は、容量素子Ｃ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２を有する。メモリ回路３１３７Ｂは、容量素子ＣＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２を有する。
上記実施の形態に示す半導体装置をＳＡＢ３１３０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯＢ３１としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３１、ＣＢ３１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２、ＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２はバックゲートを有し、これらのバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
ＳｉトランジスタＭ３１のゲートがノードＮ３１であり、ＯＳトランジスタＭＯ３２のゲートがノードＮ３２であり、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２のゲートがノードＮＢ３２である。ノードＮ３２、ＮＢ３２はＣＭ３１３５の電荷保持ノードである。ＯＳトランジスタＭＯ３２はノードＮ３１と信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］用の信号線との間の導通状態を制御する。ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はノードＮ３１と低電位電源線ＶＳＳとの間の導通状態を制御する。
メモリ回路３１３７、３１３７Ｂが保持するデータは相補的な関係にある。したがって、ＯＳトランジスタＭＯ３２またはＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
図２６（Ｃ）を参照して、ＰＲＳ３１３３［０］の動作例を説明する。ＰＲＳ３１３３［０］にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、ＰＲＳ３１３３［０］のノードＮ３２は“Ｈ”であり、ノードＮＢ３２は“Ｌ”である。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｌ”である間はＰＲＳ３１３３［０］は非アクティブである。この期間に、ＰＲＳ３１３３［０］の入力端子が“Ｈ”に遷移しても、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｌ”が維持され、ＰＲＳ３１３３［０］の出力端子も“Ｌ”が維持される。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”に遷移すると、ＣＭ３１３５が記憶するコンフィギュレーションデータによって、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｈ”に遷移する。
ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブである期間に、入力端子が“Ｈ”に遷移すると、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２がソースフォロアであるために、ブースティングによってＳｉトランジスタＭ３１のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２は駆動能力を失い、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは浮遊状態となる。
マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレクサの機能を併せ持つ。
図２７にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はＬＵＴ（ルックアップテーブル）ブロック３１２３、レジスタブロック３１２４、セレクタ３１２５、ＣＭ３１２６を有する。ＬＵＴブロック３１２３は、入力ｉｎＡ−ｉｎＤに従って内部の１６ビットＣＭ対の出力をマルチプレクスする構成である。セレクタ３１２５は、ＣＭ３１２６が格納するコンフィギュレーションに従って、ＬＵＴブロック３１２３の出力またはレジスタブロック３１２４の出力を選択する。
ＰＬＥ３１２１は、パワースイッチ３１２７を介して電圧ＶＤＤ用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ３１２７のオンオフは、ＣＭ３１２８が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各ＰＬＥ３１２１にパワースイッチ３１２７を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないＰＬＥ３１２１をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。
ＮＯＦＦコンピューティングを実現するため、レジスタブロック３１２４は、不揮発性レジスタで構成される。ＰＬＥ３１２１内の不揮発性レジスタはＯＳメモリを備えるフリップフロップ（以下［ＯＳ−ＦＦ］と呼ぶ）である。
レジスタブロック３１２４は、ＯＳ−ＦＦ３１４０［１］３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、ｌｏａｄ、ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］に入力される。クロック信号ＣＬＫ１はＯＳ−ＦＦ３１４０［１］に入力され、クロック信号ＣＬＫ２はＯＳ−ＦＦ３１４０［２］に入力される。図２８（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
ＯＳ−ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、Ｒ、Ｄ、Ｑ、ＱＢを有する。ノードＣＫにはクロック信号が入力される。ノードＲには信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓが入力される。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓはリセット信号である。ノードＤはデータ入力ノードであり、ノードＱはデータ出力ノードである。ノードＱとノードＱＢとは論理が相補関係にある。
シャドウレジスタ３１４２は、ＦＦ３１４１のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ３１４２は、信号ｓｔｏｒｅに従いノードＱ、ＱＢのデータをそれぞれバックアップし、また、信号ｌｏａｄに従い、バックアップしたデータをノードＱ、ＱＢに書き戻す。
シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７、メモリ回路３１４３、３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、３１４３Ｂは、ＰＲＳ３１３３のメモリ回路３１３７と同じ回路構成である。メモリ回路３１４３は容量素子Ｃ３６、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６を有する。メモリ回路３１４３Ｂは容量素子ＣＢ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６を有する。ノードＮ３６、ＮＢ３６はＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードＮ３７、ＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７のゲートである。
上記実施の形態に示す半導体装置をＬＡＢ３１２０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯＢ３５としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３６、ＣＢ３６として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６、ＭＯＢ３５、ＭＯＢ３６はバックゲートを有し、これらのバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
図２８（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
（バックアップ）
“Ｈ”の信号ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はＦＦ３１４１のデータをバックアップする。ノードＮ３６は、ノードＱのデータが書き込まれることで、“Ｌ”となり、ノードＮＢ３６は、ノードＱＢのデータが書き込まれることで、“Ｈ”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ３１２７をオフにする。ＦＦ３１４１のノードＱ、ＱＢのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしたデータを保持する。
（リカバリ）
パワースイッチ３１２７をオンにし、ＰＬＥ３１２１に電源を供給する。しかる後、“Ｈ”の信号ｌｏａｄがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしているデータをＦＦ３１４１に書き戻す。ノードＮ３６は“Ｌ”であるので、ノードＮ３７は“Ｌ”が維持され、ノードＮＢ３６は“Ｈ”であるので、ノードＮＢ３７は“Ｈ”となる。よって、ノードＱは“Ｈ”になり、ノードＱＢは“Ｌ”になる。つまり、ＯＳ−ＦＦ３１４０はバックアップ動作時の状態に復帰する。
細粒度パワーゲーティングと、ＯＳ−ＦＦ３１４０のバックアップ／リカバリ動作とを組み合わせることで、ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０の消費電力を効果的に低減できる。
メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。ＯＳトランジスタを用いたＯＳメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、ＯＳメモリを搭載することで、信頼性の高いＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を提供することができる。
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７）
本実施の形態では、図２９を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
図２９はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。
演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００、ＮＯＳＲＡＭ１６００、およびＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を用いることができる。
制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭに格納する場合、ＳＲＡＭは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭに比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、ハードウェアで後述する、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、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
ＦＰＧＡ４０１４はＯＳトランジスタを有するＦＰＧＡである。ＯＳ−ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ−ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、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。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも一つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
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。
（実施の形態８）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図３０を用いて説明を行う。
図３０（Ａ）は、図２９で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
図３０（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
また図３０（Ｂ）は、図２９で説明したＡＩシステム４０４１を図３０（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
図３０（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄａｔａ Ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＧＳＭ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ２０００）、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
図３０（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
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）
本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
図３１に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図３１に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２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７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
図３１では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、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、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
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１０）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図３２および図３３に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
図３２（Ａ）に示すロボット２０００は、演算装置２００１、センサ２００２、ライト２００３、リフト２００４、駆動部２００５、移動機構２０１１を備えており、移動しながら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監視システムとして用いることができる。
ロボット２０００は、さらに、通信手段２００６、スピーカ２００７、マイクロフォン２００８、表示部２００９、発光部２０１０などを備えていてもよい。
演算装置２００１には、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。また、演算装置２００１には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。センサ２００２は、ロボット２０００の周囲を撮影する、カメラとしての機能を有する。ライト２００３は、センサ２００２でロボット２０００の周囲を撮影する際のライトとして用いることができる。なお、センサ２００２で、静止画を撮影する際には、ライト２００３は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ２００２は、リフト２００４を介して、ロボット本体と接続されている。センサ２００２の高さは、リフト２００４により調整することができる。リフト２００４は、伸縮式であることが好ましい。また、リフト２００４は、複数のブームにより構成された折り畳み式のものでもよい。また、ロボット２０００には、駆動部２００５と、駆動部２００５に接続された移動機構２０１１が設けられているため、センサ２００２による撮像範囲、すなわち監視範囲が広がり、好ましい。
通信手段２００６は、センサ２００２により撮像された情報を管理者や、管理者が所有するサーバへ送信することができる。また、センサ２００２により撮像された情報を演算装置２００１にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会社、警察、消防、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ２００７は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン２００８は、ロボット２０００周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段２００６、およびスピーカ２００７と合わせて用いることで、ロボット２０００は電話としての機能を有することができる。ロボット２０００周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表示部２００９は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難経路を表示することができる。また、通信手段２００６、スピーカ２００７、およびマイクロフォン２００８と合わせて用いることで、ロボット２０００はテレビ電話としての機能を有することができる。ロボット２０００周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示部２００９を見ながら会話することができる。
発光部２０１０は、ロボット２０００の進行方向や停止状態を文字や光で示すことができる。また、非常事態を示してもよい。
図３２（Ｂ）は、ロボット２０００の構成を示すブロック図である。演算装置２００１は、センサ２００２により得られた映像などの情報から、ライト２００３の点灯や消灯、明るさの調整を行う。また、リフト２００４の高さの調整、あるいは、駆動部２００５の制御を行い、ロボット２０００や、センサ２００２の位置合わせを行う。また、駆動部２００５の動作状況を、発光部２０１０を用いて示すことができる。また、通信手段２００６を用いて、センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られたロボット２０００の周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演算装置２００１や、管理者の判断により、スピーカ２００７や表示部２００９を用いて、ロボット２０００の周囲に情報を発信することができる。
センサ２００２に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場合は、ライト２００３は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン（Ｓｅ）を用いたイメージセンサを用いることができる。
このようなロボット２０００は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られた情報は、演算装置２００１やサーバに保存される。保存された情報は、ＡＩシステムにより解析され、物品の紛失や破損、不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット２０００は、管理者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。
また、ロボット２０００は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設置されたロボット２０００は、センサ２００２により、農作物の葉、あるいは実の形、大きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット２０００には、移動機構２０１１が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視することができる。また、ロボット２０００には、リフト２００４が設けられているため、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監視結果は、通信手段２００６を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置２００１を用いて、監視結果を、ＡＩシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
図３３（Ａ）は、ロボット３００１を用いた、仕分けシステム３０００を示す。ロボット３００１は、演算装置３００２、ブーム３００３、およびアーム３００４を備えている。また、ロボット３００１は有線、または無線の通信手段３０１１を備えていてもよい。また、仕分けシステム３０００は、センサ３００９を有する筐体３００８を備えている。筐体３００８は、通信手段３０１０を有している。筐体３００８は、仕分けシステム３０００、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁（いずれも図示せず）に設けられる。また、筐体３００８は、ロボット３００１に設けられていてもよい。例えば、ブーム３００３、またはアーム３００４に設けられていてもよい。筐体３００８がロボット３００１に設けられている場合は、センサ３００９により得られた情報は、通信手段３０１０、および通信手段３０１１を介さず、演算装置３００２に送られ、処理されてもよい。
ブーム３００３は、可動式となっており、アーム３００４を所望の位置に配置することができる。また、アーム３００４は伸縮式としてもよい。所望の物品３００７上に配置されたアームを伸ばし、所望の物品３００７を掴み、アーム３００４を縮めた後、ブーム３００３によりアーム３００４を移動してもよい。
仕分けシステム３０００は、容器３００５内の物品３００７を容器３００６に移動させることができる。容器３００５と容器３００６は、同一形状でも良いし、異なる形状でもよい。また、一つの容器３００５に入れられた複数の物品３００７を複数の容器３００６に振り分けて移動してもよい。
容器３００５、および容器３００６として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、容器３００５、および容器３００６の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具でもよい。
演算装置３００２には、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。また、演算装置３００２には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。
センサ３００９は、容器３００５の位置、容器３００６の位置、容器３００５内、および容器３００５内の物品３００７の状態を読み取り、通信手段３０１０を用いて演算装置３００２に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段３０１０を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置３００２は、送信された情報の解析を行う。ここで、物品３００７の状態とは、形、数、物品３００７同士の重なりなどのことを指す。演算装置３００２は、センサ３００９からの情報をもとに解析を行い、物品３００７の詳細情報を導出する。演算装置３００２、またはロボット３００１と通信可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品３００７の三次元形状や、堅さ（柔らかさ）を導出する。また、物品３００７の三次元形状や堅さ（柔らかさ）から、アーム３００４の形状を変えることができる。
物品３００７の詳細情報を導出するには、ＡＩシステムを用いた解析を利用することができる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
図３３（Ｂ）は、一対の板３０２１が水平方向に移動し、物品３００７を挟むことができるアームである。一対の板３０２１が中心に向かって水平方向に移動することで、物品３００７を挟むことができる。このようなアームは、物品３００７を面で捉えることができ、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。図３３（Ｃ）は、複数のバー３０２２が水平方向に移動し、物品３００７を挟むことができるアームである。複数のバー３０２２が中心に向かって水平方向に移動することで、物品３００７を挟むことができる。このようなアームは、物品３００７を点で捉えることができ、球状の形を有する物品３００７、または物品３００７の形が一定でない場合、すなわち不定型な物品３００７を掴むに適している。なお、図３３（Ｃ）では、バー３０２２の数を４本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー３０２２は３本でもよいし、５本以上でも良い。図３３（Ｄ）は、一対の板３０２３が、共通の軸を中心に、お互いが近づくように回転することで物品３００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品３００７を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。図３３（Ｅ）は、一対のかぎ状の板３０２４が、共通の軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品３００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品３００７を点、または線で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品３００７や、より小さい粒状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。また、図３３（Ｆ）に示すように、アームの先端にヘラ３０２５を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品３００７をすくってもよい。
図３３（Ａ）乃至図３３（Ｆ）に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれらの形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれらの記載に限らない。
ブーム３００３を動かし、アーム３００４を、容器３００５内の所望の物品３００７上に移動する。伸縮式のアーム３００４の場合、アーム３００４を伸ばし、アーム３００４の先端を物品３００７の高さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品３００７を掴む。物品３００７を掴んだまま、アームを縮める。再びブーム３００３を動かし、アーム３００４を、容器３００６の所望の位置に移動する。アーム３００４を伸ばし、物品３００７を容器３００６に配置し、アーム３００４は、物品３００７を放す。以上の操作を繰り返し行い、物品３００７を容器３００５から容器３００６に移動することができる。
容器３００５、および容器３００６の位置情報、および物品３００７の状態をＡＩシステムを用いて解析しているため、物品３００７の形状や堅さによらず、確実に物品３００７を移動することができる。物品３００７の例としては、立方体、または直方体の箱に詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケなど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜、ネジやナットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した仕分けシステム３０００は、物品３００７の形状や堅さを考慮してアームの形状を変えることができるため、上記に例示した物品３００７を、形状や堅さによらず、容器３００５から容器３００６に移動させることができる。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や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。
本実施例では、酸化物上に金属化合物を形成したときの、酸化物のシート抵抗の推移を測定した。シート抵抗測定器には、測定上限が６．０×１０６Ω／ｓｑ．であるものを用いた。酸化物のシート抵抗の推移を図３４に示す。シート抵抗の推移の評価に用いたサンプルを以下に説明する。
サンプル１の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５ｎｍの酸化物を形成し、さらに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚１５ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。サンプル１の酸化物のシート抵抗を測定したところ、オーバーレンジとなり、酸化物のシート抵抗が６．０×１０６Ω／ｓｑ．以上であることがわかった。
次に、サンプル２の作製方法について説明する。サンプル１と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２ｎｍの金属化合物を形成した。得られた金属化合物は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、ＴｉＡｌＮｘ、またはＴｉＡｌｘＮｙ（ｘ，ｙは、任意の数）と表記することができる。サンプル２の酸化物のシート抵抗を測定したところ、３．８×１０３Ω／ｓｑ．であった。酸化物上に金属化合物を形成することで、酸化物のシート抵抗値が低減した。
次に、サンプル３の作製方法について説明する。サンプル２と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。サンプル３の酸化物のシート抵抗を測定したところ、２．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。金属化合物の形成により低減した酸化物のシート抵抗値にほぼ変動は無いが、サンプル２と比較して、サンプル３の酸化物のシート抵抗値は、低減した。
次に、サンプル４の作製方法について説明する。サンプル３と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、加熱処理を行った。加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成により、酸化物に酸素（過剰酸素）が供給されると考えられる。ここで、酸化物に酸素が供給されることで、酸化物の抵抗値は増加し、Ｉ型半導体に近づく場合がある。サンプル４の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル４において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成によるシート抵抗値の上昇は見られず、サンプル３と比較して、サンプル４の酸化物のシート抵抗値は、低減した。
次に、サンプル５の作製方法について説明する。サンプル４と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。加熱処理により、酸化アルミニウムに含まれる酸素が酸化物に拡散することが考えられる。サンプル５の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．５×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル５において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成、および加熱処理によるシート抵抗値の上昇は見られなかった。また、サンプル３、およびサンプル４と比較して、サンプル５の酸化物のシート抵抗値は低減した。
本実施例は、他の実施の形態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。
本実施例では、酸化物と、その上に設けられた金属元素を含む層と、の界面について評価した。評価には、酸化物上に、金属元素を含む層を形成したサンプル６と、サンプル６と同様に酸化物上に、金属元素を含む層を形成した後、窒素雰囲気下で熱処理を行ったサンプル７を用いた。
サンプル６の作製方法について説明する。酸化物として、基板上にスパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５０ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に金属元素を含む層として、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの金属元素を含む層を形成した。得られた金属元素を含む層は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、ＴｉＡｌＮｘ、またはＴｉＡｌｘＮｙ（ｘ，ｙは、任意の数）と表記することができる。
次に、サンプル７の作製方法について説明する。酸化物として、基板上にスパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５０ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に金属元素を含む層として、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの金属元素を含む層を形成した。得られた金属元素を含む層は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、ＴｉＡｌＮｘ、またはＴｉＡｌｘＮｙと表記することができる。金属元素を含む層形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。
サンプル６およびサンプル７において、酸化物と金属元素を含む層の界面の断面観察を行った。なお、断面観察は、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により行った。観察用の装置は日立ハイテクノロジーズ社製ＨＤ−２７００を用いた。図３５（Ａ）にサンプル６の断面ＳＴＥＭ観察結果を示す。図３５（Ｂ）にサンプル７の断面ＳＴＥＭ観察結果を示す。
図３５（Ａ）と比較して、図３５（Ｂ）には、酸化物と金属元素を含む層の間に、化合物層（異層）が形成されていることがわかった。これは、金属元素を含む層形成後の加熱処理により形成されたものと考えられる。
本実施例は、他の実施の形態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。
１００：容量素子、１１０：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、２００：トランジスタ、２０３：導電体、２０３ａ：導電体、２０３ｂ：導電体、２０５：導電体、２０７：導電体、２０８：絶縁体、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：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２３０ｄ：酸化物、２３０Ｄ：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領域、２３９：破線、２４０：破線、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５２：導電体、２５２ａ：導電体、２５２ｂ：導電体、２５２ｃ：導電体、２５２ｄ：導電体、２５６：導電体、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電膜、２７０：バリア層、２７６：バリア層、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８２ａ：絶縁体、２８２ｂ：絶縁体、２８５：層、２８５Ａ：膜、２８６：絶縁体、２８７：絶縁体、２８６：絶縁体、２８９：バリア層、２９０：化合物層、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４００：トランジスタ、４０３：導電体、４０５：導電体、４３０ｃ：酸化物、４３０ｄ：酸化物、４３１ａ：酸化物、４３１ｂ：酸化物、４３２ａ：酸化物、４３２ｂ：酸化物、４３３：低抵抗領域、４３４：低抵抗領域、４５０：絶縁体、４６０：導電体、４６０ａ：導電体、４６０ｂ：導電体、４７０：絶縁体、５００：開口部、６５０ａ：メモリセル、６５０ｂ：メモリセル、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１００７：配線、１００８：配線、１００９：配線、１０１０：配線、１４００：ＤＯＳＲＡＭ、１４０５：コントローラ、１４１０：行回路、１４１１：デコーダ、１４１２：ワード線ドライバ回路、１４１３：列セレクタ、１４１４：センスアンプドライバ回路、１４１５：列回路、１４１６：グローバルセンスアンプアレイ、１４１７：入出力回路、１４２０：センスアンプアレイ、１４２２：メモリセルアレイ、１４２３：センスアンプアレイ、１４２５：ローカルメモリセルアレイ、１４２６：ローカルセンスアンプアレイ、１４４４：スイッチアレイ、１４４５：メモリセル、１４４５ａ：メモリセル、１４４５ｂ：メモリセル、１４４６：センスアンプ、１４４７：グローバルセンスアンプ、１６００：ＮＯＳＲＡＭ、１６１０：メモリセルアレイ、１６１１：メモリセル、１６１２：メモリセル、１６１３：メモリセル、１６１４：メモリセル、１６１５：メモリセル、１６１５ａ：メモリセル、１６１５ｂ：メモリセル、１６４０：コントローラ、１６５０：行ドライバ、１６５１：行デコーダ、１６５２：ワード線ドライバ、１６６０：列ドライバ、１６６１：列デコーダ、１６６２：ドライバ、１６６３：ＤＡＣ、１６７０：出力ドライバ、１６７１：セレクタ、１６７２：ＡＤＣ、１６７３：出力バッファ、２０００：ロボット、２００１：演算装置、２００２：センサ、２００３：ライト、２００４：リフト、２００５：駆動部、２００６：通信手段、２００７：スピーカ、２００８：マイクロフォン、２００９：表示部、２０１０：発光部、２０１１：移動機構、３０００：システム、３００１：ロボット、３００２：演算装置、３００３：ブーム、３００４：アーム、３００５：容器、３００６：容器、３００７：物品、３００８：筐体、３００９：センサ、３０１０：通信手段、３０１１：通信手段、３０２１：板、３０２２：バー、３０２３：板、３０２４：板、３０２５：ヘラ、３１１０：ＯＳ−ＦＰＧＡ、３１１１：コントローラ、３１１２：ワードドライバ、３１１３：データドライバ、３１１５：プログラマブルエリア、３１１７：ＩＯＢ、３１１９：コア、３１２０：ＬＡＢ、３１２１：ＰＬＥ、３１２３：ＬＵＴブロック、３１２４：レジスタブロック、３１２５：セレクタ、３１２６：ＣＭ、３１２７：パワースイッチ、３１２８：ＣＭ、３１３０：ＳＡＢ、３１３１：ＳＢ、３１３３：ＰＲＳ、３１３５：ＣＭ、３１３７：メモリ回路、３１３７Ｂ：メモリ回路、３１４０：ＯＳ−ＦＦ、３１４１：ＦＦ、３１４２：シャドウレジスタ、３１４３：メモリ回路、３１４３Ｂ：メモリ回路、３１８８：インバータ回路、３１８９：インバータ回路、４０１０：演算部、４０１１：アナログ演算回路、４０１２：ＤＯＳＲＡＭ、４０１３：ＮＯＳＲＡＭ、４０１４：ＦＰＧＡ、４０２０：制御部、４０２１：ＣＰＵ、４０２２：ＧＰＵ、４０２３：ＰＬＬ、４０２５：ＰＲＯＭ、４０２６：メモリコントローラ、４０２７：電源回路、４０２８：ＰＭＵ、４０３０：入出力部、４０３１：外部記憶制御回路、４０３２：音声コーデック、４０３３：映像コーデック、４０３４：汎用入出力モジュール、４０３５：通信モジュール、４０４１：ＡＩシステム、４０４１＿ｎ：ＡＩシステム、４０４１＿１：ＡＩシステム、４０４１Ａ：ＡＩシステム、４０４１Ｂ：ＡＩシステム、４０９８：バス線、４０９９：ネットワーク、７０００：ＡＩシステムＩＣ、７００１：リード、７００３：回路部、７０３１：Ｓｉトランジスタ層、７０３２：配線層、７０３３：ＯＳトランジスタ層

Claims (15)

  1. トランジスタを有する半導体装置であって、
    前記トランジスタは、
    第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上の絶縁体と、
    前記絶縁体上の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物は、
    チャネル形成領域と、前記チャネル形成領域を挟むように位置する第１の領域、および第２の領域と、を有し、
    前記第２の酸化物は、前記チャネル形成領域、前記第１の領域の一部、および前記第２の領域の一部と接するように設けられ、
    前記第１の領域、および前記第２の領域は、前記チャネル形成領域よりも酸素濃度が小さいことを特徴とする半導体装置。
  2. トランジスタと、前記トランジスタを覆う第１の絶縁体と、前記トランジスタと電気的に接続する第１の導電体、および第２の導電体と、を有する半導体装置であって、
    前記トランジスタは、
    第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の、金属元素、および酸素を含む、第１の層、および第２の層と、
    前記第１の酸化物、前記第１の層、および前記第２の層上の第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物は、
    チャネル形成領域と、前記チャネル形成領域を挟むように位置する第１の領域、および第２の領域と、を有し、
    前記第１の領域は、前記第１の層と接するように設けられ、
    前記第２の領域は、前記第２の層と接するように設けられ、
    前記第２の酸化物は、前記チャネル形成領域と、前記第１の層の一部と、前記第２の層の一部と、接するように設けられ、
    前記第１の絶縁体と、前記第１の層は、前記第１の領域を露出する第１の開口を有し、
    前記第１の導電体は、前記第１の開口に設けられ、かつ前記第１の領域と電気的に接続し、
    前記第１の絶縁体と、前記第２の層は、前記第２の領域を露出する第２の開口を有し、
    前記第２の導電体は、前記第２の開口に設けられ、かつ前記第２の領域と電気的に接続し、
    前記第１の領域、および前記第２の領域は、前記チャネル形成領域よりも酸素濃度が小さいことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記第１の酸化物は、原子数比において、前記元素Ｍよりも前記Ｉｎの方が多い、
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の領域、および前記第２の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の領域、および前記第２の領域は、さらに窒素を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１または請求項２において、
    前記チャネル形成領域は、前記第１の領域、および前記第２の領域よりも水素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１または請求項２において、
    前記トランジスタは、
    ノーマリーオフ型である、ことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項２において、
    前記金属元素は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項２または請求項９において、
    前記第１の層、および前記第２の層は、さらに窒素を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項２または請求項９において、
    前記第１の層、および前記第２の層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である、ことを特徴とする半導体装置。
  12. 第１の酸化物上に金属元素を含む第１の層を形成し、
    前記第１の層をマスクとして、前記第１の酸化物を島状に加工し、
    島状に加工された前記第１の酸化物上の前記第１の層を加工することで、前記第１の酸化物の第１の領域を露出し、かつ前記酸化物の第２の領域上に第２の層、および前記酸化物の第３の領域上に第３の層を形成し、
    少なくとも前記第１の酸化物、前記第２の層、および前記第３の層に対して、窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行うことで、前記第２の領域に含まれる酸素を前記第２の層に引き抜き、かつ前記第３の領域に含まれる酸素を前記第３の層に引き抜き、
    前記第１の酸化物上に第２の酸化物を形成し、
    前記第２の酸化物上に絶縁体を形成し、
    前記絶縁体上に導電体を形成する、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  13. 請求項１２において、
    前記第１の層は、
    アルゴン及び窒素のいずれか一方または双方のガスを用いて、スパッタリング法により形成される、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  14. 請求項１２または請求項１３において、
    前記第１の加熱処理後に、前記第１の層、および前記第２の層を除去する、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  15. 請求項１２または請求項１３において、
    前記第１の加熱処理の後に、さらに第２の加熱処理を行う、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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