JPWO2019211697A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

記憶装置の各階層の記憶領域の変更が可能な半導体装置を提供する。第１および第２記憶回路を有する記憶装置と、制御回路と、を有する半導体装置で、第１記憶回路は、第１容量素子と、第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、第２記憶回路は、第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有する。第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、ゲートと、バックゲートと、を有する。第１又は第３トランジスタバックゲートに印加される電圧を調整することによって、第１又は第２記憶回路のそれぞれの記憶領域を変更する。

Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、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。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。
情報処理を行うコンピュータシステムは、その用途に応じて多種多様な構成が提案されているが、多くのコンピュータシステムにおいて、メモリユニットを複数の階層に分割し、各階層に性能の異なる記憶装置を割り当てたアーキテクチャが採用されている。このようなコンピュータシステムにおいては、レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置、補助記憶装置などの記憶装置を備えた構造が広く知られている。
特許文献１には、酸化物半導体を半導体層に含むトランジスタを用いた記憶回路をレジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置に適用した発明が開示されている。酸化物半導体はシリコン等よりも広いバンドギャップを有し、真性キャリア濃度が小さいため、酸化物半導体を半導体層に含むトランジスタは、オフ電流が極めて小さい特性を有する。そのため、当該トランジスタを記憶回路に用いることによって、格納されたデータを長時間保持することができる。
特開２０１５−１８０９９４号公報
レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶装置のそれぞれの記憶装置は、要求される性能が異なる。そのため、互いに記憶領域を共有して用いることが難しい。具体的には、例えば、キャッシュメモリの記憶容量が足りなくなった場合に、主記憶装置によってその不足分を補うことが難しい。
本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題の一つとする。また、本発明の一態様は、消費電力の低減が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。また、本発明の一態様は、面積の縮小が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。また、本発明の一態様は、記憶装置の大容量化が可能な半導体装置の提供を課題の一つとする。
なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。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。
（１）
本発明の一態様は、記憶装置と、制御回路と、を有し、記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する第２記憶回路を有し、第１記憶階層は、第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、第１記憶回路は、第１容量素子と、第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、第２記憶回路は、第２トランジスタと、第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、制御回路は、第１トランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第１記憶回路を第１記憶階層から第２記憶階層に変更する機能と、第３のトランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第２記憶回路を第２記憶階層から第１記憶階層に変更する機能と、を有する、半導体装置である。
（２）
また、本発明の一態様は、上記（１）の構成において、制御回路は、温度検知回路を有し、温度検知回路は、記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、制御回路は、第１及び第３トランジスタのそれぞれの第２ゲートに印加する電圧を、補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、半導体装置である。
（３）
また、本発明の一態様は、記憶装置と、制御回路と、を有し、記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する第２記憶回路を有し、第１記憶階層は、第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、第１記憶回路は、第１容量素子と、第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、第２記憶回路は、第２トランジスタと、第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、制御回路は、第１トランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第１記憶回路を第１記憶階層から第２記憶階層に変更する機能と、第３のトランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第２記憶回路を第２記憶階層から第１記憶階層に変更する機能と、を有し、制御回路は、コントローラと、複数の電圧生成回路と、切り替え回路と、を有し、記憶装置は、コントローラに対して、記憶装置の記憶容量の使用状況を有する信号を出力する機能を有し、コントローラは、信号に応じて、複数の電圧生成回路のいずれか一から出力される電圧が第１および第３のトランジスタの第２ゲートに印加されるように、切り替え回路を制御する機能を有する、半導体装置である。
（４）
また、本発明の一態様は、上記（３）の構成において、制御回路は、温度検知回路を有し、温度検知回路は、記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、制御回路は、第１及び第３トランジスタのそれぞれの第２ゲートに印加する電圧を、補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、半導体装置である。
（５）
また、本発明の一態様は、記憶装置と、制御回路と、を有し、記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する第２記憶回路を有し、第１記憶階層は、第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、第１記憶回路は、第１容量素子と、第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、第２記憶回路は、第２トランジスタと、第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、制御回路は、第１トランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第１記憶回路を第１記憶階層から第２記憶階層に変更する機能と、第３のトランジスタの第２ゲートに電圧を入力することによって、第２記憶回路を第２記憶階層から第１記憶階層に変更する機能と、を有し、制御回路は、コントローラと、複数の電圧生成回路と、切り替え回路と、を有し、記憶装置は、コントローラに対して、記憶装置の記憶容量の使用状況を有する信号を出力する機能を有し、コントローラは、信号に応じて、複数の電圧生成回路のいずれか一から出力される電圧が第１および第３のトランジスタの第２ゲートに印加されるように、切り替え回路を制御する機能を有し、第１記憶回路は、第２記憶回路と重畳する領域を有する、半導体装置である。
（６）
また、本発明の一態様は、上記（５）の構成において、制御回路は、温度検知回路を有し、温度検知回路は、記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、制御回路は、第１及び第３トランジスタのそれぞれの第２ゲートに印加する電圧を、補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、半導体装置である。
（７）
また、本発明の一態様は、上記（１）乃至（６）のいずれか一の構成において、酸化物半導体は、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛から一又は複数選ばれる材料を有する、半導体装置である。
なお、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子（トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等）を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品は半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置及び電子機器等は、それ自体が半導体装置であり、半導体装置を有している場合がある。
また、本明細書等において、ＸとＹとが接続されていると記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に開示されているものとする。Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層など）であるとする。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、又は、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅又は電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同じであるとする。
また、例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。又は、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。又は、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
また、本明細書等において、トランジスタは、ゲート、ソース、及びドレインと呼ばれる３つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子である。ソース又はドレインとして機能する２つの端子は、トランジスタの入出力端子である。２つの入出力端子は、トランジスタの導電型（ｎチャネル型、ｐチャネル型）及びトランジスタの３つの端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。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、言い換えることができるものとする。また、本明細書等では、トランジスタの接続関係を説明する際、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）、「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）という表記を用いる。なお、トランジスタの構造によっては、上述した３つの端子に加えて、バックゲートを有する場合がある。
また、本明細書等において、ノードは、回路構成やデバイス構造等に応じて、端子、配線、電極、導電層、導電体、不純物領域等と言い換えることが可能である。また、端子、配線等をノードと言い換えることが可能である。
また、本明細書等において、「電圧」と「電位」は、適宜言い換えることができる。「電圧」は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、「電圧」を「電位」に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
一般的に、「電流」とは、正の荷電体の移動に伴う電荷の移動現象（電気伝導）として定義されているが、「正の荷電体の電気伝導が起きている」という記載は、「その逆向きに負の荷電体の電気伝導が起きている」と換言することができる。そのため、本明細書等において、「電流」とは、特に断らない限り、キャリアの移動に伴う電荷の移動現象（電気伝導）をいうものとする。ここでいうキャリアとは、電子、正孔、アニオン、カチオン、錯イオン等が挙げられ、電流の流れる系（例えば、半導体、金属、電解液、真空中など）によってキャリアが異なる。また、配線等における「電流の向き」は、正のキャリアが移動する方向とし、正の電流量で記載する。換言すると、負のキャリアが移動する方向は、電流の向きと逆の方向となり、負の電流量で表現される。そのため、本明細書等において、電流の正負（又は電流の向き）について断りがない場合、「素子Ａから素子Ｂに電流が流れる」等の記載は「素子Ｂから素子Ａに電流が流れる」等に言い換えることができるものとする。また、「素子Ａに電流が入力される」等の記載は「素子Ａから電流が出力される」等に言い換えることができるものとする。
また、本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
また、本明細書等において、「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、便宜上用いている場合がある。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、明細書等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。例えば、「導電体の上面に位置する絶縁体」の表現では、示している図面の向きを１８０度回転することによって、「導電体の下面に位置する絶縁体」と言い換えることができる。
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
また、本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、状況に応じて、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。又は、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。又は、場合によっては、又は、状況に応じて、「膜」、「層」などの語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」又は「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」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「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」などの用語は、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」などの用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」などの用語は、「信号線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」などの用語は、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、又は、状況に応じて、「信号」などという用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」などの用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。
本明細書等において、半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、又は、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。又は、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。一例としては、電気的なスイッチ、機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
本発明の一態様によって、新規な装置を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、消費電力の低減が可能な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、面積の縮小が可能な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様によって、記憶装置の大容量化が可能な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、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。
図１（Ａ）は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。図１（Ｂ）は、記憶装置における記憶領域の階層の例を説明する図である。 図２は、記憶装置における記憶領域の階層の例を説明する図である。 図３（Ａ）（Ｂ１）（Ｂ２）は記憶装置が有するメモリセルの構成の一例を示す回路図である。 図４（Ａ）（Ｂ）は記憶装置における記憶領域の階層の例を説明する図である。 図５は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。 図６は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。 図７は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。 図８は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。 図９は記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１０は記憶装置が有するメモリセルアレイの構成の一例を示すブロック図である。 図１１は記憶装置が有するメモリセルアレイの構成の一例を示すブロック図である。 図１２（Ａ）（Ｂ）は記憶装置が有するメモリセルアレイの構成の一例を示す図である。 図１３は記憶装置が有するメモリセルアレイの構成の一例を示す図である。 図１４は半導体装置の構成例を示す断面図である。 図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はトランジスタの構造例を示す断面図である。 図１６（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１６（Ｂ）（Ｃ）は当該トランジスタの構造例を示す断面図である。 図１７（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１７（Ｂ）（Ｃ）は当該トランジスタの構造例を示す断面図である。 図１８（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１８（Ｂ）（Ｃ）は当該トランジスタの構造例を示す断面図である。 図１９（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図１９（Ｂ）（Ｃ）は当該トランジスタの構造例を示す断面図である。 図２０（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図２０（Ｂ）（Ｃ）は当該トランジスタの構造例を示す断面図である。 図２１（Ａ）はトランジスタの構造例を示す上面図であり、図２１（Ｂ）は当該トランジスタの構造例を示す斜視図である。 図２２（Ａ）（Ｂ）はトランジスタの構造例を示す断面図である。 図２３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）（Ｈ）は、電子機器の一例を示す斜視図である。 図２４（Ａ）（Ｂ）は電子機器の一例を示す斜視図である。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味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又は単に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、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有するトランジスタのチャネル形成領域を構成し得る場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことができる。また、ＯＳ ＦＥＴ、又はＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物又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、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。
また、本明細書等において、各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、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態（又は一つ若しくは複数の別の実施例）で述べる内容（一部の内容でもよい）との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態（又は実施例）において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）との少なくとも一つの図に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。
本明細書に記載の実施の形態について図面を参照しながら説明している。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、趣旨及びその範囲から逸脱することなく、その形態及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、実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態の発明の構成において、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場合がある。また、斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
また、本明細書の図面において、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。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る構成の一例について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）に、本発明の一態様の半導体装置１１の構成の一例を示す。半導体装置１１は、記憶装置を構成する記憶回路２１０、記憶回路２２０、記憶回路２３０、及び記憶回路２４０と、制御回路２０と、を有する。
なお、図１（Ａ）に図示していないが、半導体装置１１は集積回路（例えば、ＣＰＵ、ＧＰＵなどが挙げられる。）を有し、記憶回路２１０は集積回路に含まれている構成としてもよく、更に記憶回路２２０も集積回路に含まれている構成としてもよい。
また、記憶回路２２０は、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）（登録商標）を適用することができ、記憶回路２３０は、ＮＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）（登録商標）を適用することができる。なお、ＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭの詳細については後述する。
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した半導体装置１１に含まれる記憶装置の記憶回路を階層ごとに示した一例の図である。
図１（Ｂ）は、半導体装置１１に含まれる記憶装置の記憶回路を、アクセス速度の順に階層化したものである。記憶回路２１０は最上位の階層とし、記憶回路２２０は記憶回路２１０の下位の階層とし、記憶回路２３０は記憶回路２２０の下位の階層とし、記憶回路２４０は、最下位の階層として図示している。
なお、本明細書等において、半導体装置１１に含まれる記憶装置の記憶回路は、最上位の階層から順に、第１記憶領域１１０、第２記憶領域１２０、第３記憶領域１３０、第４記憶領域１４０と呼称する。特に、第１記憶領域１１０はレジスタなどの記憶領域とし、第２記憶領域１２０はキャッシュメモリの記憶領域とし、第３記憶領域１３０は主記憶装置（メインメモリ）の記憶領域とし、第４記憶領域１４０は補助記憶装置の記憶領域として扱われる。
第１記憶領域１１０の記憶回路２１０は、集積回路などにおける演算処理の結果や状態の保持などを行う。そのため、演算処理に必要データの送受信を行うため、記憶回路２１０は、記憶回路２２０と、記憶回路２３０と、に電気的に接続されている。
第１記憶領域１１０に適用できる記憶回路２１０は、例えば、レジスタ、フリップフロップ、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを有する。
第２記憶領域１２０は、キャッシュメモリの記憶領域として扱われるため、記憶回路２２０は、第３記憶領域１３０である主記憶装置として機能する記憶回路２３０からデータの一部をコピーして格納するため、記憶回路２３０に電気的に接続されている。
また、第２記憶領域１２０はキャッシュメモリの記憶領域に相当するため、第２記憶領域１２０は更に複数の階層に分類して設けることができる。例えば、図２では、記憶回路２２０を更に３つの階層に分けた場合を示している。図２における記憶回路２２０は、キャッシュ１２１乃至キャッシュ１２３の記憶領域を有しており、第１記憶領域１１０の下位の階層にキャッシュ１２１（１次キャッシュ、Ｌ１キャッシュ）が設けられ、キャッシュ１２１の下位の階層にキャッシュ１２２（２次キャッシュ、Ｌ２キャッシュ）が設けられ、キャッシュ１２２の下位の階層にキャッシュ１２３（３次キャッシュ、Ｌ３キャッシュ）が設けられている。
なお、第２記憶領域１２０の階層の数はこれに限られない。すなわち、第２記憶領域１２０は、１つの階層のみから構成されていてもよいし、２つの階層、または４つ以上の階層から構成されていてもよい。
第４記憶領域１４０に適用できる記憶回路２４０は、第３記憶領域の記憶回路２３０から入力されたデータを格納するため、記憶回路２３０に電気的に接続されている。
第４記憶領域１４０に適用できる記憶回路２４０としては、例えば、不揮発性メモリなどを有することができる。不揮発性メモリとしては、例えば、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブなどが挙げられる。
制御回路２０は、記憶回路２２０、及び記憶回路２３０に電気的に接続されている。制御回路２０は、半導体装置１１における第２記憶領域１２０、第３記憶領域１３０のそれぞれの階層の記憶領域を変更する機能を有する。
記憶回路は、上位の階層に位置するほど高速動作が要求される。また、下位の階層に位置する記憶装置ほど、大容量および高密度化（或いは、ビット当たりの面積の縮小）が要求される。例えば、第１記憶領域１１０では、集積回路などにおける演算に用いるデータを記憶するため、特に高速な動作が要求される。また、例えば、第２記憶領域１２０の中で最上位の階層に位置する１次キャッシュは、アクセスされる頻度が最も高いため、高速な動作が要求される。一方、２次キャッシュ、３次キャッシュなどは、１次キャッシュほどの高速動作は要求されないものの、大容量および１次キャッシュよりもビット当たりの面積の縮小が要求される。
また、記憶回路が上位の階層に位置するほど、当該記憶装置へのデータの書き換え回数（又は、リフレッシュ回数）が多くなるため、当該記憶装置の仕様として、データの保持時間を短くすることができる。一方、記憶装置が下位の階層に位置するほど、当該記憶装置へのデータの書き換え回数（又は、リフレッシュ回数）が少なくなるため、当該記憶装置の仕様として、データの保持時間を長くする必要がある。
本発明の一態様は、半導体装置の使用状況に応じて、各階層の記憶装置のデータ保持時間を変更して、各階層の記憶領域を増減する。つまり、本発明の一態様の記憶装置、又は、半導体装置は、当該使用状況に合わせて、記憶装置の各階層の性能の変更を行うことができる。
＜ＤＯＳＲＡＭ、及びＮＯＳＲＡＭの回路構成例＞
次に、記憶回路２２０に適用できるＤＯＳＲＡＭ、及び記憶回路２３０に適用できるＮＯＳＲＡＭのそれぞれのメモリセルの回路構成について説明する。
なお、以下の説明で用いられる低レベル電位、高レベル電位は、特定の電位を意味するものではなく、配線が異なれば、具体的な電位も異なる場合がある。例えば、配線ＷＯＬに印加される低レベル電位、高レベル電位のそれぞれは、配線ＢＩＬに印加される低レベル電位、高レベル電位と異なる電位であってもよい。
図３（Ａ）には、ＤＯＳＲＡＭのメモリセルの回路構成の例を示している。メモリセル２２１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
トランジスタＭ１は、メモリセル２２１における書き込みトランジスタとして機能する。なお、当該書き込みトランジスタは、後述するＯＳトランジスタであることが好ましい。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある。）を印加するのが好ましい。
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
データの書き込み及び読み出しは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ１をオン状態にし、配線ＢＩＬと容量素子ＣＡの第１端子との間を導通状態にすることによって行われる。
具体的には、データの書き込みは、配線ＢＩＬに書き込むデータに応じた電位を印加し、トランジスタＭ１を介して、容量素子ＣＡの第１端子に当該電位を書き込むことで行われる。データの書き込み後は、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加して、トランジスタＭ１をオフ状態にすることで、当該電位をメモリセル２２１に保持することができる。
また、データの読み出しは、初めに、配線ＢＩＬを適当な電位、例えば、低レベル電位と高レベル電位の中間の電位にプリチャージして、次に配線ＢＩＬを電気的に浮遊状態にする。そして、その後に、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加して、トランジスタＭ１をオン状態にして、配線ＢＩＬの電位を変化させる。配線ＢＩＬの電位の変化は、容量素子ＣＡの第１端子に書き込まれた電位に応じて決まるため、変化した配線ＢＩＬの電位から、メモリセル２２１に保持されたデータを読み出すことができる。
また、上述したメモリセル２２１は、図３（Ａ）に図示した回路構成に限定されず、メモリセル２２１の回路の構成を適宜変更してもよい。
図３（Ｂ１）には、ＮＯＳＲＡＭのメモリセルの回路構成の例を示している。メモリセル２３１は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ２は、メモリセル２３１における書き込みトランジスタとして機能する。なお、当該書き込みトランジスタは、後述するＯＳトランジスタであることが好ましい。
また、トランジスタＭ３は、メモリセル２３１における読み出しトランジスタとして機能する。当該読み出しトランジスタは、後述するＯＳトランジスタ、又は半導体層にシリコンが含まれるトランジスタであることが好ましい。なお、本動作例において、トランジスタＭ３は、特に断りのない場合は、飽和領域で動作するものとする。すなわち、トランジスタＭ３のゲート電圧、ソース電圧、及びドレイン電圧は、飽和領域で動作する範囲での電圧に適切にバイアスされているものとする。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データ保持の最中において、配線ＣＡＬには、低レベル電位（基準電位という場合がある）を印加するのが好ましく、データの書き込み時、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、高レベル電位を印加するのが好ましい
配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
データの書き込みは、配線ＷＯＬに高レベル電位を印加し、トランジスタＭ２をオン状態にし、配線ＷＢＬと容量素子ＣＢの第１端子との間を導通状態にすることによって行われる。具体的には、トランジスタＭ２がオン状態のときに、配線ＷＢＬに記録する情報に対応する電位を印加し、容量素子ＣＢの第１端子、及びトランジスタＭ３のゲートに該電位を書き込む。その後、配線ＷＯＬに低レベル電位を印加し、トランジスタＭ２をオフ状態にすることによって、容量素子ＣＢの第１端子の電位、及びトランジスタＭ３のゲートの電位が保持される。
データの読み出しは、配線ＳＬに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタＭ３のソース−ドレイン間に流れる電流、及びトランジスタＭ３の第１端子の電位は、トランジスタＭ３のゲートの電位、及びトランジスタＭ３の第２端子の電位によって決まるので、トランジスタＭ３の第１端子に接続されている配線ＲＢＬの電位を読み出すことによって、容量素子ＣＢの第１端子（又はトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、容量素子ＣＢの第１端子（又はトランジスタＭ３のゲート）に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。
また、上述したメモリセル２３１は、図３（Ｂ１）に図示した回路構成に限定されず、メモリセル２３１の回路の構成を適宜変更してもよい。例えば、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。そのメモリセルの回路構成例を図３（Ｂ２）に示す。メモリセル２３２は、メモリセル２３１の配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとして、トランジスタＭ２の第２端子、及びトランジスタＭ３の第１端子が、配線ＢＩＬと接続されている構成となっている。つまり、メモリセル２３２は、書き込みビット線と、読み出しビット線と、を１本の配線ＢＩＬとして動作する構成となっている。
ＤＯＳＲＡＭ、及びＮＯＳＲＡＭは、上述の通り、書き込みトランジスタとしてＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタの半導体層は、実施の形態３で説明する金属酸化物を有する。金属酸化物としては、例えば、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛から一又は複数選ばれる材料とすることができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる金属酸化物が、当該半導体層に含まれることによって、当該半導体層のバンドギャップを大きくすることができる。そのため、ＯＳトランジスタのオフ電流を小さくすることができる。
＜記憶装置の各階層の記憶領域の変更方法＞
ところで、ＯＳトランジスタは、実施の形態３で説明する構造を適用することによって、バックゲートを有することができる。バックゲートを有するＯＳトランジスタにおいて、バックゲートに電位を印加することによって、ＯＳトランジスタのしきい値電圧を変動させることができる。例えば、ＯＳトランジスタをｎチャネル型トランジスタとした場合、バックゲートに正電位を印加することによって、そのＯＳトランジスタのしきい値電圧をマイナス側に変動させることができ、逆にバックゲートに負電位を印加することによって、そのＯＳトランジスタのしきい値電圧をプラス側に変動させることができる。
ＯＳトランジスタのしきい値電圧を変動させることによって、そのＯＳトランジスタのオフ電流を増減することができる。ＯＳトランジスタのオフ電流を増やした場合、ＯＳトランジスタのソース−ドレイン間を介した、保持しているデータに応じた電荷の移動が早くなるため、データの保持時間が短くなり、ＯＳトランジスタの動作速度（駆動周波数という場合がある。）を速くすることができる。また、ＯＳトランジスタのオフ電流を減らした場合、ＯＳトランジスタのソース−ドレイン間を介した、保持しているデータに応じた電荷の移動が遅くなるため、データの保持時間が長くなり、ＯＳトランジスタの動作速度が遅くすることができる。つまり、ＯＳトランジスタのしきい値電圧を変動させることによって、データの保持時間及び動作速度を調整することができる。
ここで、半導体装置１１の記憶回路２２０として上述のＤＯＳＲＡＭを適用し、記憶回路２３０として上述のＮＯＳＲＡＭを適用した場合を考える。例えば、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、第１記憶領域として用いている記憶回路２１０の記憶容量が不足し、かつ第２記憶領域１２０として用いている記憶回路２２０の記憶容量が余っている場合、図４（Ａ）に示すとおり、記憶回路２２０の一部である記憶回路２２０ａが有するＯＳトランジスタのしきい値電圧を低くして、記憶回路２２０ａのデータの保持時間を短くし、かつ動作速度を速くすることによって、記憶回路２２０ａを第１記憶領域１１０として活用することができる。
具体的には、記憶回路２２０ａのメモリセル２２１のトランジスタＭ１を、ゲートに印加する電位の範囲として−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下で動作させる場合、トランジスタＭ１のバックゲートには、例えば、−１．５Ｖ以上１．５Ｖ未満の電圧を与えることによって、記憶回路２２０ａを第１記憶領域１１０として活用することができる。
また、例えば、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、第３記憶領域１３０として用いている記憶回路２３０の記憶容量が不足し、かつ第２記憶領域１２０として用いている記憶回路２２０の記憶容量が余っている場合、図４（Ａ）に示すとおり、記憶回路２２０の一部である記憶回路２２０ｂが有するＯＳトランジスタのしきい値電圧を大きくして、記憶回路２２０ｂのデータの保持時間を長くし、かつ動作速度を遅くすることで、記憶回路２２０ｂを第３記憶領域１３０として活用することができる。
具体的には、記憶回路２２０ｂのメモリセル２２１のトランジスタＭ１を、ゲートに印加する電位の範囲として−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下で動作させる場合、トランジスタＭ１のバックゲートには、例えば、−７．５Ｖ以上−４．５Ｖ未満の電圧を与えることによって、記憶回路２２０ａを第３記憶領域１３０として活用することができる。
なお、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、記憶回路２２０の記憶領域を別の階層に変更しない場合、つまり、記憶回路２２０を第２記憶領域１２０として、通常通りに動作をさせる場合、トランジスタＭ１のゲートに印加する電位の範囲を−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下として、トランジスタＭ１のバックゲートには、例えば、−４．５Ｖ以上−１．５Ｖ未満の電圧を与えればよい。
また、例えば、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、第２記憶領域１２０として用いている記憶回路２２０の記憶容量が不足し、かつ第３記憶領域１３０として用いている記憶回路２３０の記憶容量が余っている場合、図４（Ｂ）に示すとおり、記憶回路２３０の一部である記憶回路２３０ａが有するＯＳトランジスタのしきい値電圧を小さくして、記憶回路２３０ａのデータの保持時間を短くすることで、記憶回路２３０ａを第２記憶領域１２０として活用することができる。
具体的には、記憶回路２３０ａのメモリセル２３１（メモリセル２３２）のトランジスタＭ２を、ゲートに印加する電位の範囲として−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下で動作させる場合、トランジスタＭ２のバックゲートには、例えば、−４．５Ｖ以上−１．５Ｖ未満の電圧を与えることによって、記憶回路２３０ａを第２記憶領域１２０として活用することができる。
また、例えば、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、第４記憶領域１４０として用いている記憶回路２４０の記憶容量が不足し、かつ第３記憶領域１３０として用いている記憶回路２３０の記憶容量が余っている場合、図４（Ｂ）に示すとおり、記憶回路２３０の一部である記憶回路２３０ｂが有するＯＳトランジスタのしきい値電圧を大きくして、記憶回路２３０ｂのデータの保持時間を長くすることで、記憶回路２３０ｂを第４記憶領域１４０として活用することができる。
具体的には、記憶回路２３０ｂのメモリセル２３１（メモリセル２３２）のトランジスタＭ２を、ゲートに印加する電位の範囲として−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下で動作させる場合、トランジスタＭ２のバックゲートには、例えば、−７．５Ｖ未満の電圧を与えることによって、記憶回路２３０ｂを第４記憶領域１４０として活用することができる。
なお、図１（Ａ）（Ｂ）の半導体装置１１において、記憶回路２３０の記憶領域を別の階層に変更しない場合、つまり、記憶回路２３０を第３記憶領域１３０として、通常通りに動作をさせる場合、トランジスタＭ１のゲートに印加する電位の範囲を−０．８Ｖ以上２．５Ｖ以下として、トランジスタＭ１のバックゲートには、例えば、−７．５Ｖ以上−４．５Ｖ未満の電圧を与えればよい。
さらに、メモリセル２２１のトランジスタＭ１、メモリセル２３１（メモリセル２３２）のトランジスタＭ２のそれぞれのゲートに印加する電圧の範囲を互いにほぼ同じにすることができる。具体的には、トランジスタＭ１、及びトランジスタＭ２のそれぞれのゲートに印加するための正電圧（又は負電圧）を生成する回路は、互いに同じ回路を用いることができる。これにより、トランジスタＭ１、及びトランジスタＭ２のゲートに印加する電圧を生成する回路の数を多く設ける必要がなくなるため、半導体装置１１の消費電力を低く抑えることができる。特にトランジスタのゲートに負電圧を印加する場合、その負電圧の生成に消費電力が大きくなることがあるため、トランジスタＭ１、及びトランジスタＭ２のそれぞれのゲートに印加するための負電圧の生成回路（例えば、チャージポンプ回路などが挙げられる。）は、互いに共有して用いられることが好ましい。
ところで、上述したトランジスタＭ１（トランジスタＭ２）のゲート及びバックゲートに与える電圧の範囲は、一例である。半導体装置全般において、当該半導体装置が有するトランジスタの半導体層の材料、構造などによって、トランジスタの特性が変化するため、状況に応じて、ゲート及びバックゲートに与える電圧の範囲を設定する必要がある。
また、半導体装置全般において、当該半導体装置が駆動する環境に応じて、トランジスタの特性が変化する場合がある。具体的には、当該半導体装置が駆動する環境の温度が高くなるほど、当該トランジスタのゲート−ソース間電圧に応じたドレイン電流は大きくなり、また、当該トランジスタの駆動周波数も高くなる。つまり、環境の温度によっては、半導体装置の性能が変化する場合がある。そのため、半導体装置は、環境の温度に応じて、書き込みトランジスタであるＯＳトランジスタのバックゲートに与える電圧を変化させることによって、トランジスタの特性を適切に調整する構成とするのがより好ましい。つまり、メモリセル２２１、メモリセル２３１（メモリセル２３２）が有するトランジスタＭ１、トランジスタＭ２のそれぞれのバックゲートに対して、半導体装置１１が駆動する環境の温度に応じた電圧を与えることによって、記憶回路２２０及び記憶回路２３０のそれぞれは当該環境の温度に適した動作を行うことができる。
＜制御回路２０＞
次に、記憶回路２２０及び記憶回路２３０のそれぞれが有する書き込みトランジスタ（図３（Ａ）におけるトランジスタＭ１、図３（Ｂ１）（Ｂ２）におけるトランジスタＭ２に相当する。）のしきい値電圧を制御するための回路構成について説明する。
図５は、当該書き込みトランジスタのしきい値電圧を制御するための制御回路２０を表したブロック図である。なお、図５には、記憶装置との電気的な接続も説明するため、記憶回路２２０と、記憶回路２３０と、を含む記憶部３０も図示している。
制御回路２０は、制御部２１と、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］（Ｐは１以上の整数である。）と、回路２３Ａと、回路２３Ｂと、温度検知回路２５と、を有する。なお、環境の温度に応じてバックゲートの電位を変動させない場合、制御回路２０は、温度検知回路２５を除いた構成とすることができる。
制御部２１は、記憶部３０と、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］と、回路２３Ａと、回路２３Ｂと、温度検知回路２５と、に電気的に接続されている。電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のそれぞれは、回路２３Ａと回路２３Ｂと、に電気的に接続されている。回路２３Ａは、複数の配線ＢＧＬ１を介して、記憶回路２２０に電気的に接続され、回路２３Ｂは、複数の配線ＢＧＬ２を介して、記憶回路２３０に電気的に接続されている。
記憶部３０は、記憶回路２２０及び記憶回路２３０のそれぞれの使用状態（例えば、全ての記憶容量のうち、使用されている記憶容量の割合など。）に関する信号を、制御部２１に対して送信する機能を有する。制御部２１は、当該信号を受け取ることによって、当該使用状態に応じて、記憶部３０の各階層（例えば、図１（Ｂ）に示す第１記憶領域１１０、第２記憶領域１２０、第３記憶領域１３０、第４記憶領域１４０。）の割り当ての変更を行うために、制御回路２０に含まれる各回路に信号を送信する。具体的には、制御部２１は、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］と、回路２３Ａと、回路２３Ｂと、に信号の送信を行う。
電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のそれぞれは、書き込みトランジスタのバックゲートに与える電圧を生成する機能を有する。また、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］は、制御部２１から送られる信号に応じて、当該電圧の生成を開始する、又は当該電圧の生成を停止する機能を有する。この機能によって、記憶部３０の各階層の割り当てにおいて必要な電圧を生成する電圧生成回路のみ駆動し、必要の無い電圧生成回路を停止することができる。このため、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のうち、必要な回路のみを駆動することができるため、制御回路２０の消費電力を低くすることができる。
また、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のうち、負電圧を生成する回路は、例えば、チャージポンプ回路を用いることができる。
回路２３Ａは、複数の配線ＢＧＬ１のそれぞれに与える電圧を、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のそれぞれで生成された電圧から選択する機能を有する。なお、複数の配線ＢＧＬ１のそれぞれに、どの電圧が選択されるかは、制御部２１から送られる信号に応じて決められる。この機能により、記憶回路２２０に含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに、配線ＢＧＬ１から所定の電圧を印加することができ、記憶回路２２０を割り当てる階層ごとに応じた領域に分けることができる。例えば、記憶回路２２０をｐ個（ｐは２以上Ｐ以下の整数である。）の階層に分ける場合、回路２３Ａは、複数の配線ＢＧＬ１にｐ種の電圧を与えて、記憶回路２２０をｐ個の領域に分ければよい。
同様に、回路２３Ｂは、複数の配線ＢＧＬ２のそれぞれに与える電圧を、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］のそれぞれで生成された電圧から選択する機能を有する。なお、複数の配線ＢＧＬ２のそれぞれに、どの電圧が選択されるかは、制御部２１から送られる信号に応じて決められる。この機能により、記憶回路２３０に含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに、配線ＢＧＬ２から所定の電圧を印加することができ、記憶回路２３０を割り当てる階層ごとに応じた領域に分けることができる。
＜動作例＞
ここで、制御回路２０の動作例について説明する。なお、本動作例では、環境の温度に応じてバックゲートの電位を変動させない場合について説明する。
動作例の初期の段階として、例えば、記憶部３０の使用状態として、図６に示すとおり、第２記憶領域１２０が割り当てられている記憶回路２２０の記憶容量の全てがデータの保持として使われ、第３記憶領域１３０が割り当てられている記憶回路２３０の記憶容量の一部がデータの保持として使われている場合を考える。なお、この時点では、電圧生成回路２２［ｐ１］（ｐ１は１以上Ｐ以下の整数である。）が、記憶回路２２０のメモリセルのうち第２記憶領域１２０として用いられるメモリセルに含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに印加する電圧を生成し、電圧生成回路２２［ｐ２］（ｐ２は１以上Ｐ以下で、かつｐ１でない整数である。）が、記憶回路２３０のメモリセルのうち第３記憶領域１３０として用いられるメモリセルに含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに印加する電圧を生成しているものとする。
この場合において、記憶部３０が第２記憶領域１２０の記憶容量が足りないと判断したとき、記憶部３０は、記憶回路２２０の記憶容量の全てが使用状態であり、記憶回路２３０の記憶容量の一部に空きがあることを、信号Ｓｉｇ１として制御部２１に送信する。
制御部２１は、当該信号を受信することによって、電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］に信号Ｓｉｇ２を送信し、回路２３Ｂに信号Ｓｉｇ３を送信する。信号Ｓｉｇ２及び信号Ｓｉｇ３は、記憶回路２３０に第２記憶領域１２０を割り当てるための信号である。
具体的には、信号Ｓｉｇ２は、記憶回路２３０の所定の領域に第２記憶領域１２０を割り当てるために、当該領域に含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに印加する電圧を生成する回路を選択するための信号とすることができる。なお、ここでは、当該回路として電圧生成回路２２［ｐ３］（ｐ３は１以上Ｐ以下で、かつｐ２でない整数である。）が選択されたものとする。電圧生成回路２２［ｐ３］は、電圧生成回路２２［ｐ１］と同一としてもよいし、別の回路としてもよい。
なお、信号Ｓｉｇ２において、選択されなかった電圧生成回路については、上述の通り、停止する構成とすることができる。例えば、電圧生成回路と、駆動電圧を供給する配線との間の電気的な接続をスイッチング素子などによって非導通状態にすることによって、当該電圧生成回路を停止することができる。これにより、必要な電圧生成回路のみを駆動することができるため、制御回路２０の消費電力を低くすることができる。
また、信号Ｓｉｇ３は、記憶回路２３０の当該所定の領域の書き込みトランジスタのバックゲートに電気的に接続されているＢＧＬ２に、電圧生成回路２２［ｐ３］で生成した電圧を印加する命令を含む信号とすることができる。また、信号Ｓｉｇ３は、記憶回路２３０の第３記憶領域１３０の領域に含まれる書き込みトランジスタのバックゲートに、引き続き電圧生成回路２２［ｐ２］で生成された電圧を印加する命令を含んでいてもよい。
信号Ｓｉｇ３が回路２３Ｂに送られることによって、電圧生成回路２２［ｐ３］で生成した電圧を、記憶回路２３０の、新たに第２記憶領域１２０を割り当てる領域の書き込みトランジスタのバックゲートに与えることができる。これにより、記憶回路２３０の所定の領域に第２記憶領域１２０を割り当てることができる。図７に示すブロック図は、図６に示すブロック図の続きを示したもので、信号Ｓｉｇ３が回路２３Ｂに送られることによって、記憶部３０の記憶回路２３０の残っている記憶容量の空いた領域の全てを第２記憶領域１２０に割り当てた例を示している。
＜温度制御＞
次に、環境の温度に応じて、記憶部３０の書き込みトランジスタ（トランジスタＭ１、トランジスタＭ２）のバックゲートに与える電位を変化させる方法について説明する。
温度検知回路２５は、一例として、図８に示す構成とすることができる。なお、温度検知回路２５との電気的な接続構成を説明するため、図８には、制御部２１、電圧生成回路２２［１］、電圧生成回路２２［Ｐ］、回路２３Ａ、配線ＢＧＬ１も図示している。なお、回路２３Ｂ、配線ＢＧＬ２、記憶部３０については省略している。
温度検知回路２５は、温度センサ２５ａと、アナログデジタル変換回路２５ｂと、電圧制御回路２５ｃと、を有する。
温度センサ２５ａは、半導体装置１１の周辺の温度をセンシングして、当該温度に応じたアナログ信号を出力する機能を有する。出力された当該アナログ信号は、アナログデジタル変換回路２５ｂに対して送られる。温度センサ２５ａとしては、例えば、白金、ニッケルまたは銅などの測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、ＩＣ温度センサなどを用いることができる。
アナログデジタル変換回路２５ｂは、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有する。当該デジタル信号は、電圧制御回路２５ｃに対して送られる。
電圧制御回路２５ｃは、当該デジタル信号に応じて、補正電圧を生成する機能を有する。例えば、電圧制御回路２５ｃは、デジタル信号と補正電圧とを紐付けする対応表が記録されている記憶装置と、補正電圧を生成する回路と、を有しており、アナログデジタル変換回路２５ｂから送られてきたデジタル信号から、該当する補正電圧の高さを読み出す。補正電圧の高さを読み出した後は、補正電圧を生成する回路によって該当する補正電圧を生成して、制御部２１を介して、回路２３Ａ、回路２３Ｂに対して送られる。なお、図５、図６、図７、図８では、温度検知回路２５は、制御部２１に電気的に接続されているが、温度検知回路２５は、直接、回路２３Ａ、回路２３Ｂに電気的に接続されていてもよい。
ここで、回路２３Ａ（回路２３Ｂ）は複数の容量素子ＣＦを有し、複数の容量素子ＣＦのそれぞれの２対の電極の一方は、複数の配線ＢＧＬ１（複数の配線ＢＧＬ２）に電気的に接続されているものとする。回路２３Ａ（回路２３Ｂ）に送られた補正電圧は、容量素子ＣＦの２対の電極の他方に印加される。
ところで、回路２３Ａ（回路２３Ｂ）は、内部回路２３ＩＮを有する。内部回路２３ＩＮは、制御部２１から信号を受け取ることで、当該信号に応じて、複数の配線ＢＧＬ１（複数の配線ＢＧＬ２）のそれぞれに電圧生成回路２２［１］乃至電圧生成回路２２［Ｐ］で生成された複数種の電圧を印加する機能を有する。
環境の温度に応じて、バックゲートの電位を変化させる場合、初めに、内部回路２３ＩＮによって複数の配線ＢＧＬ１（複数の配線ＢＧＬ２）に電位を印加して、その後に、当該容量素子の２対の電極の他方に補正電圧を印加する。これにより、それぞれに接続されている容量素子ＣＦの容量結合によって、複数の配線ＢＧＬ１（複数の配線ＢＧＬ２）の電位が、補正電圧に応じて変動する。このように、半導体装置１１は温度検知回路２５を有することにより、環境の温度に応じて、記憶部３０の書き込みトランジスタの特性を補正することができる。
なお、本発明の一態様は、本実施の形態で述べた回路の構成に限定されず、適宜変更することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭなどを構成するメモリセルアレイ４０とその周辺回路の構成例について説明する。なお、本実施の形態では、メモリセルアレイ４０とその周辺回路をまとめて記憶装置２００と呼称する。
＜記憶装置の構成例＞
図９に記憶装置の構成の一例を示す。記憶装置２００は、周辺回路５０、およびメモリセルアレイ４０を有する。周辺回路５０は、ローデコーダ５３、ワード線ドライバ回路５１、ビット線ドライバ回路５２、出力回路５４、コントロールロジック回路５６を有する。また、図９には、実施の形態１で説明した制御回路２０も図示している。
ビット線ドライバ回路５２は、カラムデコーダ５２ａ、プリチャージ回路５２ｂ、センスアンプ５２ｃ、および書き込み回路５２ｄを有する。プリチャージ回路５２ｂは、配線ＳＬ、配線ＣＡＬ、配線ＢＩＬなどをプリチャージする機能を有する。センスアンプ５２ｃは、配線ＢＩＬ、配線ＲＢＬから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、配線ＳＬ、配線ＣＡＬ、及び配線ＲＢＬは、メモリセルアレイ４０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路５４を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置２００の外部に出力される。
記憶装置２００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路５０用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ４０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。
また、記憶装置２００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ５３およびカラムデコーダ５２ａに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路５２ｄに入力される。
コントロールロジック回路５６は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ５３、カラムデコーダ５２ａの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路５６が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
メモリセルアレイ４０だけでなく、周辺回路５０もＯＳトランジスタで構成することが好ましい。そうすることで、周辺回路５０とメモリセルアレイ４０を、同一の製造工程で作製することが可能になり、記憶装置２００の製造コストを低く抑えることができる。
＜メモリセルアレイの構成例＞
メモリセルとしてＤＯＳＲＡＭを適用した場合のメモリセルアレイ４０の詳細を、図１０に図示する。メモリセルアレイ４０は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である。）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である。）個、計ｍ×ｎ個のメモリセル２２１を有し、メモリセル２２１は行列状に配置されている。図１０では、メモリセル２２１のアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である。）のアドレスに位置しているメモリセルを図示している。なお、メモリセル２２１の構成の場合、メモリセルアレイ４０とワード線ドライバ回路５１とを接続している配線ＷＯＬの数はｍ本となり（図１０では、配線ＷＯＬ［１］、配線ＷＯＬ［ｉ］、配線ＷＯＬ［ｍ］のみ図示している。）、メモリセルアレイ４０と制御回路２０とを接続している配線ＢＧＬの数もｍ本となる（図１０では、配線ＢＧＬ［１］、配線ＢＧＬ［ｉ］、配線ＢＧＬ［ｍ］のみ図示している。）。また、メモリセルアレイ４０とビット線ドライバ回路５２とを接続している配線ＢＩＬの数はｎ本となる（図１０では、配線ＢＩＬ［１］、配線ＢＩＬ［ｊ］、配線ＢＩＬ［ｎ］のみ図示している。）。
また、メモリセルとしてＮＯＳＲＡＭを適用した場合のメモリセルアレイ４０の詳細を、図１１に図示する。メモリセルアレイ４０は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である。）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である。）個、計ｍ×ｎ個のメモリセル２３１を有し、メモリセル２３１は行列状に配置されている。図１１では、メモリセル２３１のアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である。）のアドレスに位置しているメモリセルを図示している。なお、メモリセル２３１の構成の場合、メモリセルアレイ４０とワード線ドライバ回路５１とを接続している配線ＷＯＬの数はｍ本となり（図１１では、配線ＷＯＬ［１］、配線ＷＯＬ［ｉ］、配線ＷＯＬ［ｍ］のみ図示している。）、メモリセルアレイ４０と制御回路２０とを接続している配線ＢＧＬの数もｍ本となる（図１１では、配線ＢＧＬ［１］、配線ＢＧＬ［ｉ］、配線ＢＧＬ［ｍ］のみ図示している。）。なお、配線ＣＡＬの配線の数もｍ本となっているが（図１１では、配線ＣＡＬ［１］、配線ＣＡＬ［ｉ］、配線ＣＡＬ［ｍ］のみ図示している。）、配線ＣＡＬを介してメモリセル２３１と接続される先については省略している。また、メモリセルアレイ４０とビット線ドライバ回路５２とを接続している配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬ、配線ＳＬのそれぞれの数はｎ本となる（図１１では、配線ＲＢＬ［１］、配線ＲＢＬ［ｊ］、配線ＲＢＬ［ｎ］、配線ＷＢＬ［１］、配線ＷＢＬ［ｊ］、配線ＷＢＬ［ｎ］、配線ＳＬ［１］、配線ＳＬ［ｊ］、配線ＳＬ［ｎ］のみ図示している。）。
図１０、図１１のそれぞれに図示したメモリセルアレイ４０において、配線ＢＧＬ［１］乃至配線ＢＧＬ［ｍ］は行ごとに設けられているため、実施の形態１で説明した記憶装置の各層の領域の変更は、行単位で行われる。なお、メモリセルアレイ４０が有するメモリセル２２１（メモリセル２３１）のトランジスタＭ１（トランジスタＭ２）のバックゲートに電気的に接続される配線ＢＧＬの配置は、図１０、図１１に限定されない。例えば、複数のメモリセル２２１（メモリセル２３１）のトランジスタＭ１（トランジスタＭ２）のそれぞれに配線ＢＧＬを設けて、メモリセル２２１（メモリセル２３１）ごとに記憶装置の各層の領域の変更を行ってもよい。また、例えば、メモリセルアレイ４０のメモリセル２２１（メモリセル２３１）を２×２や２×３などの領域に分割して、当該領域ごとにそれぞれ異なる配線ＢＧＬを設けて、記憶装置の各層の領域の変更を行ってもよい。
なお、図１０、図１１に示すメモリセルアレイ４０のそれぞれでは、メモリセル２２１、メモリセル２３１を２次元に配置されている構成としているが、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように３次元で配置されている構成としてもよい。図１２（Ａ）では、メモリセルアレイ４０内に設けられている配線ＢＩＬは、ビット線ドライバ回路５２に対して略垂直となっている。また、図１２（Ｂ）では、複数のメモリセルアレイ４０とビット線ドライバ回路５２とのそれぞれが互いに重畳されている。なお、図１２（Ａ）（Ｂ）では、メモリセル２２１の場合を図示したが、メモリセル２３１でも同様に３次元に配置することができる。図１２（Ａ）（Ｂ）では、下層にビット線ドライバ回路５２を図示したが、ビット線ドライバ回路５２の代わりに、ワード線ドライバ回路５１、ローデコーダ５３、又はこれらから複数選択して積層した回路としてもよい。
図１０、図１１に示すとおり、記憶装置２００を構成することによって、回路面積を小さくし、かつ記憶容量を大きくすることができる。
さらに、図１２（Ａ）（Ｂ）では、図１０に示したメモリセルアレイ４０を複数有する構成としたが、図１３に示すように図１０、図１１に示すメモリセルアレイ４０のそれぞれを互いに重畳した構成としてもよい。つまり、記憶装置２００は、ＤＯＳＲＡＭと、ＮＯＳＲＡＭと、が互いに重畳している構成、つまり、記憶回路２２０と、記憶回路２３０と、が互いに重畳している構成としてもよい。なお、図１３では、その重畳している構成を明瞭に示すため、それぞれのメモリセルアレイ４０とビット線ドライバ回路５２との電気的な接続を省略している。また、図１３では、下層にビット線ドライバ回路５２を図示したが、ビット線ドライバ回路５２の代わりに、ワード線ドライバ回路５１、ローデコーダ５３、又はこれらから複数選択して積層した回路としてもよい。特に、下層に電圧生成回路、プリチャージ回路などの回路を設けることにより、記憶回路２２０、及び記憶回路２３０のそれぞれの動作において、当該回路を互いに共有することができる。
なお、本発明の一態様は、本実施の形態で述べた回路の構成に限定されず、適宜変更することができる。例えば、本実施の形態では、メモリセルアレイ４０はメモリセル２２１、及びメモリセル２３１を適用した場合について説明したが、別のメモリセルを適用してもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に適用可能なＯＳトランジスタの構成例について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１４に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００と、容量素子６００と、を有している。図１５（Ａ）はトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１５（Ｂ）はトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図１５（Ｃ）はトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ５００は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置、特にメモリセル２３１のトランジスタＭ２に用いることにより、長期にわたり第１データを保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度が少ない、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。
トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００はトランジスタ３００、及びトランジスタ５００の上方に設けられている。なお、容量素子６００は、メモリセル２３１における容量素子ＣＢとすることができる。
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、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。なお、トランジスタ３００は、例えば、上記実施の形態におけるトランジスタＭ３に適用することができる。
トランジスタ３００は、図１５（Ｃ）に示すように、半導体領域３１３の上面及びチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
なお、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、又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域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。又は、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。又は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、及び低抵抗領域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、又はホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、又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、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタの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。例えば、トランジスタ３００の構成を、酸化物半導体を用いているトランジスタ５００と同様の構成にしてもよい（図示しない）。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体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、及び絶縁体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。
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、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、窒化酸化アルミニウムとは、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低減するための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、又はトランジスタ３００などから、トランジスタ５００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５００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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００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よりも比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。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。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量素子６００、又はトランジスタ５００と接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と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、及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、及び配線（導電体３２８、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、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又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、特にタングステンを用いることが好ましい。又は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４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、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、及び導電体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５００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５００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、及び導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４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、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、及び導電体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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、及び導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４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、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、及び導電体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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、及び導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４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、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、及び導電体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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。
上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、及び導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、又はトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ５００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。したがって、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５００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、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００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５１０、及び絶縁体５１４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、及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及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００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５００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５１２、及び絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的比誘電率が低い材料を適用することで、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５１２、及び絶縁体５１６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５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６には、導電体５１８、及びトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、及び導電体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５１０、及び絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、及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５００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４及び絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６及び導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面及び側面に配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５５０と、絶縁体５５０の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。
また、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂと、絶縁体５８０との間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、及び絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。
なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。
なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構造、又は４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図１４、図１５（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ５００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、導電体５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂは、それぞれソース電極又はドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａ又は導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０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５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
導電体５０３は、酸化物５３０、及び導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、及び導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４及び絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。
絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、及び絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４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絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されて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５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の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１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は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、又は１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。
絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素は、絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や、酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
特に、不純物、及び酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方又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、アルミニウム及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。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
又は、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコン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の絶縁体５２０を得ることができる。
なお、絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４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。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物５３０として適用できるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物は、実施の形態４で説明するＣＡＡＣ−ＯＳ、ＣＡＣ−ＯＳであることが好ましい。また、酸化物５３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
酸化物５３０においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａ又は酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は高いオン電流を得られる。
酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、又は、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
また、図１５（Ａ）に示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３ａ、及び領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域又はドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域又はドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア濃度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。
絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。
絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又は、マグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及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。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、又は、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない材料の場合、絶縁体５４４は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面、及び側面）接して配置することが好ましい。絶縁体５５０は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、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、炭素及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を用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として、酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体５５０から、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５５０から導電体５６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図１５（Ａ）、（Ｂ）では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５５０に含まれる酸素により、導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、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、及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、又は樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
過剰酸素領域を有し、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく、形成することができる。
絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、及び絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０、及び絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。
例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。
また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４などと同様に、膜中の水又は水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、及び導電体５４８と同様の構成である。
絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２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。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２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、及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及び作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００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５００に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的比誘電率が低い材料を適用することで、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５８６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５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、及び絶縁体５８６には、導電体５４６、及び導電体５４８等が埋め込まれている。
導電体５４６、及び導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５４６、及び導電体５４８は、導電体３２８、及び導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０と、導電体６２０、絶縁体６３０とを有する。
また、導電体５４６、及び導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、及び導電体６１０は、同時に形成することができる。
導電体６１２、及び導電体６１０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、又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。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。
図１４では、導電体６１２、及び導電体６１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２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、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体６２０、及び絶縁体６３０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６５０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。
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ともに、信頼性を向上させることができる。又は、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、微細化又は高集積化を図ることができる。
＜トランジスタの構造例＞
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ５００は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ５００に用いることができる構造例について説明する。なお、下記に説明するトランジスタは、上記に説明したトランジスタの変形例であるため、下記の説明では、異なる点を主に説明し、同一の点については省略することがある。
＜＜トランジスタの構造例１＞＞
図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を用いてトランジスタ５００Ａの構造例を説明する。図１６（Ａ）はトランジスタ５００Ａの上面図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１６（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１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）では、トランジスタ５００Ａと、層間膜として機能する絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５８０、絶縁体５７４、及び絶縁体５８１を示している。また、図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、トランジスタ５００Ａと電気的に接続されている、導電体５４０ａ、導電体５４０ｂ、及び導電体５０５を示している。特に、導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂはコンタクトプラグとして機能し、導電体５０５は配線として機能する。
トランジスタ５００Ａは、第１のゲート電極として機能する導電体５６０（導電体５６０ａ、及び導電体５６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体５０３（導電体５０３ａ、及び導電体５０３ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４と、チャネルが形成される領域を有する酸化物５３０（酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃ）と、ソース又はドレインの一方として機能する導電体５４２ａと、ソース又はドレインの他方として機能する導電体５４２ｂと、絶縁体５４４とを有する。
また、図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ａでは、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、及び導電体５６０が、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５４４を介して配置される。また、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、及び導電体５６０は、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂとの間に配置される。
絶縁体５１１、及び絶縁体５１２は、層間膜として機能する。
層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層又は積層で用いることができる。又はこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。
例えば、絶縁体５１１は、水又は水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５００Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１１は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体５１１として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１１よりも基板側からトランジスタ５００Ａ側に拡散するのを抑制することができる。
例えば、絶縁体５１２は、絶縁体５１１よりも比誘電率が低いことが好ましい。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。
導電体５０５は、絶縁体５１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体５０５の上面の高さと、絶縁体５１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体５０５は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０５を２層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体５０５は、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。
トランジスタ５００Ａにおいて、導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０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５００Ａの閾値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００Ａの閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が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、例えば、導電体５０３と、導電体５６０とを重畳して設けることで、導電体５６０、及び導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体５６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体５０３の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
絶縁体５１４、及び絶縁体５１６は、絶縁体５１１又は絶縁体５１２と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体５１４は、水又は水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５００Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１４よりも基板側からトランジスタ５００Ａ側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体５１６は、絶縁体５１４よりも比誘電率が低いことが好ましい。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。
第２のゲートとして機能する導電体５０３は、絶縁体５１４及び絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。ここで、導電体５０３ａ及び導電体５０３ｂの上面の高さと、絶縁体５１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ５００Ａでは、導電体５０３ａ及び導電体５０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０３は、単層、又は３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一又は、すべての拡散を抑制する機能とする。
例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。
また、導電体５０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０５は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０３ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
第２のゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体５２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体５２２がバリア性を有することで、トランジスタ５００Ａの周辺部からトランジスタ５００Ａへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
なお、図１６（Ｂ）及び（Ｃ）には、第２のゲート絶縁膜として、３層の積層構造を示したが、単層、２層、又は４層以上の積層構造としてもよい。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。
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物５３０は、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の酸化物５３０ｃと、を有する。酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物５３０として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。
なお、酸化物５３０ｃは、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５４４を介して設けられることが好ましい。絶縁体５４４がバリア性を有する場合、絶縁体５８０からの不純物が酸化物５３０へと拡散することを抑制することができる。
ソース電極又はドレイン電極の一方として機能する導電体５４２ａと、ソース電極又はドレイン電極の他方として機能する導電体５４２ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、又はタングステンなどの金属、又はこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素又は酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
また、図１６（Ｂ）では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、又は水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体５４４を成膜する際に、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが酸化することを抑制することができる。
バリア層には、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、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
バリア層を有することで、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ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、又は加工がしやすい導電体を用いることができる。
絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、酸化物５３０ｃ、及び絶縁体５４４を介して設けられることが好ましい。
トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、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。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、及び導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０３ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム又は酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
導電体５６０ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５６０は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体５８０と、トランジスタ５００Ａとの間に絶縁体５４４を配置する。絶縁体５４４は、水又は水素などの不純物、及び酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、及び水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。
絶縁体５８０、絶縁体５７４、及び絶縁体５８１は、層間膜として機能する。
絶縁体５７４は、絶縁体５１４と同様に、水又は水素などの不純物が、外部からトランジスタ５００Ａに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。
また、絶縁体５８０、及び絶縁体５８１は、絶縁体５１６と同様に、絶縁体５７４よりも比誘電率が低いことが好ましい。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。
また、トランジスタ５００Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５７４、及び絶縁体５８１に埋め込まれた導電体５４０ａ、導電体５４０ｂなどのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。
また、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂの材料としては、導電体５０３と同様に、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料などの導電性材料を、単層又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。又は、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。
例えば、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂとしては、例えば、水素、及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等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、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。
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。又は、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。又は、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
＜＜トランジスタの構造例２＞＞
図１７（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を用いてトランジスタ５００Ｂの構造例を説明する。図１７（Ａ）はトランジスタ５００Ｂの上面図である。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ５００Ｂはトランジスタ５００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００Ａと異なる点について説明する。
トランジスタ５００Ｂは、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃと、絶縁体５５０と、導電体５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、及び導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０３ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
また、導電体５６０の上面及び側面と、絶縁体５５０の側面と、酸化物５３０ｃの側面と、を覆うように、絶縁体５４４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５４４は、水又は水素などの不純物、及び酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム又は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン又は窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体５４４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０が有する水、及び水素などの不純物がトランジスタ５００Ｂへ拡散することを抑制することができる。
また、トランジスタ５００Ｂのコンタクトプラグは、トランジスタ５００Ａのコンタクトプラグの構成と異なっている。トランジスタ５００Ｂでは、コンタクトプラグとして機能する導電体５４６ａ（導電体５４６ｂ）と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６ａ（絶縁体５７６ｂ）が配置されている。絶縁体５７６ａ（絶縁体５７６ｂ）を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。
また、バリア性を有する絶縁体５７６ａ（絶縁体５７６ｂ）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５４６ａ（導電体５４６ｂ）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、又は加工がしやすい導電体を用いることができる。
＜＜トランジスタの構造例３＞＞
図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を用いてトランジスタ５００Ｃの構造例を説明する。図１８（Ａ）はトランジスタ５００Ｃの上面図である。図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ５００Ｃはトランジスタ５００Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００Ａと異なる点について説明する。
図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ｃは、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ａが配置され、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ｂが配置されている。ここで、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）は、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）の上面及び導電体５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電体５４７ａ、及び導電体５４７ｂは、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂに用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体５４７ａ、及び導電体５４７ｂの膜厚は、少なくとも導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂより厚いことが好ましい。
図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ｃは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ５００Ａよりも、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを導電体５６０に近づけることができる。又は、導電体５４２ａの端部及び導電体５４２ｂの端部と、導電体５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５００Ｃの実質的なチャネル長を短くし、オン電流の向上と、周波数特性の向上と、を図ることができる。
また、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）は、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体５４０ａ（導電体５４０ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
また、図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ｃは、絶縁体５４４の上に接して絶縁体５４５を配置する構成にしてもよい。絶縁体５４４としては、水又は水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体５８０側からトランジスタ５００Ｃに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体５４５としては、絶縁体５４４に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体５４４としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコン又は窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。
また、図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ｃは、図１６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ａと異なり、導電体５０３を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電体５０３の上に絶縁体５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体５０３の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体５０３の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体５０３上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体５０３の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０ｂ及び酸化物５３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
＜＜トランジスタの構造例４＞＞
図１９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を用いてトランジスタ５００Ｄの構造例を説明する。図１９（Ａ）はトランジスタ５００Ｄの上面図である。図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１９（Ｃ）は、図１９（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１９（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ５００Ｄはトランジスタ５００Ａ、トランジスタ５００Ｂ、トランジスタ５００Ｃとは異なる構造となっている。そのため、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００Ａ、トランジスタ５００Ｂ、トランジスタ５００Ｃと内容が重複する点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
図１９（Ａ）乃至（Ｃ）に示すトランジスタ５００Ｄは、図１８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示したトランジスタ５００Ｃと同様に、導電体５０５を設けずに、第２のゲートとしての機能を有する導電体５０３を配線としても機能させている。また、酸化物５３０ｃ上に絶縁体５５０を有し、絶縁体５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電体５６０を有し、導電体５６０上に絶縁体５７０を有する。また、絶縁体５７０上に絶縁体５７１を有する。
金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５５０と、導電体５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電体５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。
なお、金属酸化物５５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電体５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体５５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物５５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
トランジスタ５００Ｄにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
金属酸化物５５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５００Ｄのオン電流の向上を図ることができる。又は、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電体５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電体５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体５５０、及び金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電体５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、及び導電体５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
具体的には、酸化物５３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物５５２として用いることができる。又は、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又は、マグネシウムなどから選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及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。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物５５２は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体５７０は、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体５７０よりも上方からの酸素で導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体５７０よりも上方からの水又は水素などの不純物が、導電体５６０、及び絶縁体５５０を介して、酸化物５３０に混入することを抑制することができる。
絶縁体５７１はハードマスクとして機能する。絶縁体５７１を設けることで、導電体５６０の加工の際、導電体５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。
なお、絶縁体５７１に、水又は水素などの不純物、及び酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体５７０は設けなくともよい。
絶縁体５７１をハードマスクとして用いて、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、及び酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。
また、トランジスタ５００Ｄは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａ及び領域５３１ｂを有する。領域５３１ａ又は領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。
領域５３１ａ及び領域５３１ｂの形成は、例えば、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、又はプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリン又はボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。
また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａ及び領域５３１ｂを形成することもできる。
酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａ及び領域５３１ｂを「不純物領域」又は「低抵抗領域」という場合がある。
絶縁体５７１及び／又は導電体５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａ及び領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａ及び／又は領域５３１ｂと、導電体５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａ又は領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａ及び領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体５７５も絶縁体５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁体５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。
また、トランジスタ５００Ｄは、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、及び酸化物５３０ｃの側面に絶縁体５７５を有する。絶縁体５７５は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。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、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、及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、又は樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体５７５に用いると、後の工程で絶縁体５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。また、絶縁体５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。
また、トランジスタ５００Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５４４を有する。絶縁体５４４は、スパッタリング法を用いて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により、水又は水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体５４４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
なお、スパッタリング法を用いて形成された酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体５４４が酸化物５３０及び絶縁体５７５から水素及び水を吸収することで、酸化物５３０及び絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。
＜＜トランジスタの構造例５＞＞
図２０（Ａ）乃至図２０（Ｃ）を用いてトランジスタ５００Ｅの構造例を説明する。図２０（Ａ）はトランジスタ５００Ｅの上面図である。図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）に一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図２０（Ｃ）は、図２０（Ａ）に一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図２０（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
トランジスタ５００Ｅはトランジスタ５００Ａ、トランジスタ５００Ｂ、トランジスタ５００Ｃ、トランジスタ５００Ｄ、とは異なる構造となっている。そのため、説明の繰り返しを防ぐため、トランジスタ５００Ａ、トランジスタ５００Ｂ、トランジスタ５００Ｃ、トランジスタ５００Ｄと内容が重複する点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
図２０（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）では、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａ及び領域５３１ｂを有する。領域５３１ａ又は領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁体５４４の間に、絶縁体５７３を有する。
図２０（Ｂ）に示す、領域５３１ａ、及び領域５３１ｂは、酸化物５３０ｂに下記の元素が添加された領域である。領域５３１ａ、及び領域５３１ｂは、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。
具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、酸化物５３０ｂの一部の領域を低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｂのダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１ａ及び領域５３１ｂが形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
なお、酸化物５３０ｂの一部の領域を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、又はリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、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。
特に、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンなどが半導体層に含まれるＳｉトランジスタの製造ラインの装置において、ホウ素、及びリンを添加することができるため、当該製造ラインの装置を用いることにより酸化物５３０ｂの一部を低抵抗化することができる。つまり、Ｓｉトランジスタの製造ラインの一部を、トランジスタ５００Ｅの作製工程に用いることができる。
続いて、酸化物５３０ｂ、及びダミーゲート上に、絶縁体５７３となる絶縁膜、及び絶縁体５４４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５７３となる絶縁膜、及び絶縁体５４４となる絶縁膜を積層して設けることで、領域５３１ａ又は領域５３１ｂと、酸化物５３０ｃと、絶縁体５５０と、が重畳する領域を設けることができる。
具体的には、絶縁体５４４となる絶縁膜上に絶縁体５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁体５８０となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁体５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁体５４４、及び絶縁体５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１ａ、及び領域５３１ｂのそれぞれの一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、及び導電体５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、及び導電体５６０となる導電膜の一部を除去することで、図２０（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）に示すトランジスタを形成することができる。
なお、絶縁体５７３、及び絶縁体５４４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
図２０（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）に示すトランジスタは、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを設けないため、当該トランジスタを作製するためのコストの低減を図ることができる。
＜＜トランジスタの構造例６＞＞
また、図１５（Ａ）（Ｂ）では、ゲートとしての機能を機能する導電体５６０が、絶縁体５８０の開口の内部に形成されている構造例について説明したが、例えば、当該導電体の上方に、当該絶縁体が設けられた構造を用いることもできる。このようなトランジスタの構造例を、図２１（Ａ）（Ｂ）、図２２（Ａ）（Ｂ）に示す。
図２１（Ａ）はトランジスタの上面図であり、図２１（Ｂ）はトランジスタの斜視図である。また、図２１（Ａ）におけるＬ１−Ｌ２の断面図を図２２（Ａ）に示し、Ｗ１−Ｗ２の断面図を図２２（Ｂ）に示す。
図２１（Ａ）（Ｂ）、図２２（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタは、バックゲートとしての機能を有する導電体ＢＧＥと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＢＧＩと、酸化物半導体Ｓと、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体ＦＧＩと、フロントゲートとしての機能を有する導電体ＦＧＥと、配線としての機能を有する導電体ＷＥと、を有する。また、導電体ＰＥは、導電体ＷＥと、酸化物Ｓ、導電体ＢＧＥ、又は導電体ＦＧＥと、を接続するためのプラグとしての機能を有する。なお、ここでは、酸化物半導体Ｓが、３層の酸化物Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３によって構成されている例を示している。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物であるＣＡＣ−ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、及びＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の構成について説明する。なお、明細書等において、ＣＡＣは機能、又は材料の構成の一例を表し、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表す。
＜金属酸化物の構成＞
ＣＡＣ−ＯＳ又は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又は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（又はホール）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又はＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳ又は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又はＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及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又は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又は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又は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又は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、及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又はＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、又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）及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、及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）を確認することはできない。即ち、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と考えられる。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層（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は結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ−ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
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。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及び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。
＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、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、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体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又は実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア濃度が８×１０１１ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属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、酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物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。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体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。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用した製品例について説明する。
＜ノート型パーソナルコンピュータ＞
本発明の一態様の半導体装置は、情報端末装置に備えられるディスプレイに適用することができる。図２３（Ａ）は、情報端末装置の一種であるノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。
＜スマートウォッチ＞
本発明の一態様の半導体装置は、ウェアラブル端末に適用することができる。図２３（Ｂ）はウェアラブル端末の一種であるスマートウォッチであり、筐体５９０１、表示部５９０２、操作ボタン５９０３、操作子５９０４、バンド５９０５などを有する。また、表示部５９０２に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン５９０３にスマートウォッチを起動する電源スイッチ、スマートウォッチのアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、又は表示部５９０２を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。また、図２３（Ｂ）に示したスマートウォッチでは、操作ボタン５９０３の数を２個示しているが、スマートウォッチの有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、操作子５９０４は、スマートウォッチの時刻合わせを行うリューズとして機能する。また、操作子５９０４は、時刻合わせ以外に、スマートウォッチのアプリケーションを操作する入力インターフェースとして、用いるようにしてもよい。なお、図２３（Ｂ）に示したスマートウォッチでは、操作子５９０４を有する構成となっているが、これに限定されず、操作子５９０４を有さない構成であってもよい。
＜ビデオカメラ＞
本発明の一態様の半導体装置は、ビデオカメラに適用することができる。図２３（Ｃ）に示すビデオカメラは、第１筐体５８０１、第２筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０４及びレンズ５８０５は第１筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２筐体５８０２に設けられている。そして、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により変更が可能である。表示部５８０３における映像を、接続部５８０６における第１筐体５８０１と第２筐体５８０２との間の角度に従って切り替える構成としてもよい。
＜携帯電話＞
本発明の一態様の半導体装置は、携帯電話に適用することができる。図２３（Ｄ）は、情報端末の機能を有する携帯電話であり、筐体５５０１、表示部５５０２、マイク５５０３、スピーカ５５０４、操作ボタン５５０５を有する。また、表示部５５０２に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン５５０５に携帯電話を起動する電源スイッチ、携帯電話のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、又は表示部５５０２を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。
また、図２３（Ｄ）に示した携帯電話では、操作ボタン５５０５の数を２個示しているが、携帯電話の有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、図示していないが、図２３（Ｄ）に示した携帯電話は、フラッシュライト、又は照明の用途として発光装置を有する構成であってもよい。
＜据え置き型ゲーム機＞
本発明の一態様の半導体装置は、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機に適用することができる。図２３（Ｅ）では、据え置き型ゲーム機として、ゲーム機本体７５２０と、コントローラ７５２２を示している。なお、ゲーム機本体７５２０には、無線または有線によってコントローラ７５２２を接続することができる。また、図２３（Ｅ）に示していないが、コントローラ７５２２は、ゲームの画像を表示する表示部、ボタン以外の入力インターフェースとなるタッチパネルやスティック、回転式つまみ、スライド式つまみなどを備えることができる。また、コントローラ７５２２は、図２３（Ｅ）に示す形状に限定されず、ゲームのジャンルに応じて、コントローラ７５２２の形状を様々に変更してもよい。例えば、ＦＰＳ（Ｆｉｒｓｔ Ｐｅｒｓｏｎ Ｓｈｏｏｔｅｒ）などのシューティングゲームでは、トリガーをボタンとし、銃を模した形状のコントローラを用いることができる。また、例えば、音楽ゲームなどでは、楽器、音楽機器などを模した形状のコントローラを用いることができる。更に、据え置き型ゲーム機は、コントローラを使わず、代わりにカメラ、深度センサ、マイクロフォンなどを備えて、ゲームプレイヤーのジェスチャー、及び／又は音声によって操作する形式としてもよい。
＜携帯型ゲーム機＞
本発明の一態様の半導体装置は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機に適用することができる。図２３（Ｆ）に示す携帯ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。なお、図２３（Ｆ）に示す携帯ゲーム機は一例であり、本発明の一態様の半導体装置が適用された携帯ゲーム機の表示部、ボタンなどの配置、形状や数、は、図２３（Ｆ）に示す構成に限定されない。また、携帯ゲーム機の筐体の形状は、図２３（Ｆ）に示す構成に限定されない。
上述では、ゲーム機の一例として、据え置き型ゲーム機、携帯ゲーム機などを挙げたが、本発明の一態様の半導体装置は、上述した以外に業務用ゲーム機（アーケードゲーム機）などにも適用することができる。
＜テレビジョン装置＞
本発明の一態様の半導体装置は、テレビジョン装置に適用することができる。図２３（Ｇ）に示すテレビジョン装置は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、又は操作スイッチを含む）、接続端子９００６などを有する。テレビジョン装置は、大画面、例えば、５０インチ以上、又は１００インチ以上の表示部９００１を組み込むことが可能である。
＜移動体＞
本発明の一態様の半導体装置は、移動体である自動車の運転席周辺に適用することができる。
例えば、図２３（Ｈ）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を表す図である。図２３（Ｈ）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、ナビゲーション情報、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することによって、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、車体に設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像手段からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
＜電子広告用の電子機器＞
本発明の一態様の半導体装置は、電子広告を用途とするディスプレイに適用することができる。図２４（Ａ）は、壁に取り付けが可能な電子看板（デジタルサイネージ）の例を示している。図２４（Ａ）は、電子看板６２００が壁６２０１に取り付けられている様子を示している。
＜折り畳み式のタブレット型情報端末＞
本発明の一態様の半導体装置は、タブレット型の情報端末に適用することができる。図２４（Ｂ）には、折り畳むことができる構造を有するタブレット型の情報端末を示している。図２４（Ｂ）に示す情報端末は、筐体５３２１ａと、筐体５３２１ｂと、表示部５３２２と、操作ボタン５３２３と、を有している。特に、表示部５３２２は可撓性を有する基材を有しており、当該基材によって折り畳むことができる構造を実現できる。
また、筐体５３２１ａと筐体５３２１ｂと、は、ヒンジ部５３２１ｃにより結合されており、ヒンジ部５３２１ｃによって、２つ折りが可能となっている。また、表示部５３２２は、筐体５３２１ａ、筐体５３２１ｂ、及びヒンジ部５３２１ｃに設けられている。
また、図示していないが、図２３（Ａ）乃至（Ｃ）、（Ｅ）、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示した電子機器は、マイク及びスピーカを有する構成であってもよい。この構成により、例えば、上述した電子機器に音声入力機能を付することができる。
また、図示していないが、図２３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示した電子機器は、カメラを有する構成であってもよい。
また、図示していないが、図２３（Ａ）乃至（Ｇ）、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示した電子機器は、筐体の内部にセンサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線などを測定する機能を含むもの）を有する構成であってもよい。特に、図２３（Ｄ）に示す携帯電話に、ジャイロ、加速度センサなどの傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、該携帯電話の向き（鉛直方向に対して該携帯電話がどの向きに向いているか）を判断して、表示部５５０２の画面表示を、該携帯電話の向きに応じて自動的に切り替えるようにすることができる。
また、図示していないが、図２３（Ａ）乃至（Ｇ）、図２４（Ａ）、（Ｂ）に示した電子機器は、指紋、静脈、虹彩、又は声紋など生体情報を取得する装置を有する構成であってもよい。この構成を適用することによって、生体認証機能を有する電子機器を実現することができる。
また、図２３（Ａ）乃至（Ｇ）、図２４（Ａ）に示した電子機器の表示部として、可撓性を有する基材を用いてもよい。具体的には、該表示部は、可撓性を有する基材上にトランジスタ、容量素子、及び表示素子などを設けた構成としてもよい。この構成を適用することによって、図２３（Ａ）乃至（Ｇ）、図２４（Ａ）に示した電子機器のように平らな面を有する筐体だけでなく、図２３（Ｈ）に示したダッシュボード、ピラーのように、曲面を有するような筐体の電子機器を実現することができる。
図２３（Ａ）乃至（Ｇ）、図２４（Ａ）、（Ｂ）の表示部に適用できる、可撓性を有する基材としては、可視光に対する透光性を有する材料を例に挙げると、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン樹脂（ＰＥＳ）、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリハロゲン化ビニル樹脂、アラミド樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。また、これらの材料を混合又は積層して用いてもよい。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
Ｍ１：トランジスタ、Ｍ２：トランジスタ、Ｍ３：トランジスタ、ＣＡ：容量素子、ＣＢ：容量素子、ＣＦ：容量素子、ＢＩＬ：配線、ＲＢＬ：配線、ＷＢＬ：配線、ＷＯＬ：配線、ＳＬ：配線、ＣＡＬ：配線、ＢＧＬ：配線、ＢＧＬ１：配線、ＢＧＬ２：配線、ＢＧＩ：絶縁体、ＦＧＩ：絶縁体、ＢＧＥ：導電体、ＦＧＥ：導電体、ＰＥ：導電体：ＷＥ：導電体、１１：半導体装置、２０：制御回路、２１：制御部、２２［１］：電圧生成回路、２２［Ｐ］：電圧生成回路、２２［ｐ１］：電圧生成回路、２２［ｐ２］：電圧生成回路、２２［ｐ３］：電圧生成回路、２３Ａ：回路、２３Ｂ：回路、２３ＩＮ：内部回路、２５：温度検知回路、２５ａ：温度センサ、２５ｂ：アナログデジタル変換回路、２５ｃ：電圧制御回路、３０：記憶部、４０：メモリセルアレイ、５０：周辺回路、５１：ワード線ドライバ回路、５２：ビット線ドライバ回路、５２ａ：カラムデコーダ、５２ｂ：プリチャージ回路、５２ｃ：センスアンプ、５２ｄ：書き込み回路、５３：ローデコーダ、５４：出力回路、５６：コントロールロジック回路、１１０：第１記憶領域、１２０：第２記憶領域、１２１：キャッシュ、１２２：キャッシュ、１２３：キャッシュ、１３０：第３記憶領域、１４０：第４記憶領域、２００：記憶装置、２１０：記憶回路、２２０：記憶回路、２２０ａ：記憶回路、２２０ｂ：記憶回路、２２１：メモリセル、２３０：記憶回路、２３０ａ：記憶回路、２３０ｂ：記憶回路、２３１：メモリセル、２３２：メモリセル、２４０：記憶回路、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、５００：トランジスタ、５００Ａ：トランジスタ、５００Ｂ：トランジスタ、５００Ｃ：トランジスタ、５００Ｄ：トランジスタ、５００Ｅ：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５０５：導電体、５１０：絶縁体、５１１：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３１ａ：領域、５３１ｂ：領域、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４５：絶縁体、５４６：導電体、５４６ａ：導電体、５４６ｂ：導電体、５４７ａ：導電体、５４７ｂ：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：金属酸化物、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７０：絶縁体、５７１：絶縁体、５７３：絶縁体、５７４：絶縁体、５７５：絶縁体、５７６ａ：絶縁体、５７６ｂ：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６５０：絶縁体、５２０１：筐体、５２０２：表示部、５２０３：ボタン、５３２１ａ：筐体、５３２１ｂ：筐体、５３２１ｃ：ヒンジ部、５３２２：表示部、５３２３：操作ボタン、５４０１：筐体、５４０２：表示部、５４０３：キーボード、５４０４：ポインティングデバイス、５５０１：筐体、５５０２：表示部、５５０３：マイク、５５０４：スピーカ、５５０５：操作ボタン、５７０１：表示パネル、５７０２：表示パネル、５７０３：表示パネル、５７０４：表示パネル、５８０１：第１筐体、５８０２：第２筐体、５８０３：表示部、５８０４：操作キー、５８０５：レンズ、５８０６：接続部、５９０１：筐体、５９０２：表示部、５９０３：操作ボタン、５９０４：操作子、５９０５：バンド、６２００：電子看板、６２０１：壁、７５２０：ゲーム機本体、７５２２：コントローラ、９０００：筐体、９００１：表示部、９００３：スピーカ、９００５：操作キー、９００６：接続端子

Claims (7)

  1. 記憶装置と、制御回路と、を有し、
    前記記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する前記第２記憶回路を有し、
    前記第１記憶階層は、前記第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、
    前記第１記憶回路は、第１容量素子と、前記第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、
    前記第２記憶回路は、第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、前記第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、
    前記第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、
    前記制御回路は、
    前記第１トランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第１記憶回路を前記第１記憶階層から前記第２記憶階層に変更する機能と、
    前記第３のトランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第２記憶回路を前記第２記憶階層から前記第１記憶階層に変更する機能と、を有する、
    半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記制御回路は、温度検知回路を有し、
    前記温度検知回路は、前記記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１及び前記第３トランジスタのそれぞれの前記第２ゲートに印加する電圧を、前記補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、
    半導体装置。
  3. 記憶装置と、制御回路と、を有し、
    前記記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する前記第２記憶回路を有し、
    前記第１記憶階層は、前記第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、
    前記第１記憶回路は、第１容量素子と、前記第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、
    前記第２記憶回路は、第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、前記第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、
    前記第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、
    前記制御回路は、
    前記第１トランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第１記憶回路を前記第１記憶階層から前記第２記憶階層に変更する機能と、
    前記第３のトランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第２記憶回路を前記第２記憶階層から前記第１記憶階層に変更する機能と、を有し、
    前記制御回路は、コントローラと、複数の電圧生成回路と、切り替え回路と、を有し、
    前記記憶装置は、前記コントローラに対して、前記記憶装置の記憶容量の使用状況を有する信号を出力する機能を有し、
    前記コントローラは、前記信号に応じて、複数の前記電圧生成回路のいずれか一から出力される電圧が前記第１および第３のトランジスタの前記第２ゲートに印加されるように、前記切り替え回路を制御する機能を有する、
    半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記制御回路は、温度検知回路を有し、
    前記温度検知回路は、前記記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１及び前記第３トランジスタのそれぞれの前記第２ゲートに印加する電圧を、前記補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、
    半導体装置。
  5. 記憶装置と、制御回路と、を有し、
    前記記憶装置は、第１記憶階層で動作する第１記憶回路と、第２記憶階層で動作する前記第２記憶回路を有し、
    前記第１記憶階層は、前記第２記憶階層よりもアクセス速度が速い階層であって、
    前記第１記憶回路は、第１容量素子と、前記第１容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第１トランジスタと、を有し、
    前記第２記憶回路は、第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲートに電気的に接続された第２容量素子と、前記第２容量素子に保持される電荷を保持する機能を有する第３トランジスタと、を有し、
    前記第１および第３トランジスタは、酸化物半導体を有する半導体層と、第１ゲートと、第２ゲートと、を有し、
    前記制御回路は、
    前記第１トランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第１記憶回路を前記第１記憶階層から前記第２記憶階層に変更する機能と、
    前記第３のトランジスタの前記第２ゲートに電圧を入力することによって、前記第２記憶回路を前記第２記憶階層から前記第１記憶階層に変更する機能と、を有し、
    前記制御回路は、コントローラと、複数の電圧生成回路と、切り替え回路と、を有し、
    前記記憶装置は、前記コントローラに対して、前記記憶装置の記憶容量の使用状況を有する信号を出力する機能を有し、
    前記コントローラは、前記信号に応じて、複数の前記電圧生成回路のいずれか一から出力される電圧が前記第１および第３のトランジスタの前記第２ゲートに印加されるように、前記切り替え回路を制御する機能を有し、
    前記第１記憶回路は、前記第２記憶回路と重畳する領域を有する、
    半導体装置。
  6. 請求項５において、
    前記制御回路は、温度検知回路を有し、
    前記温度検知回路は、前記記憶装置の周辺の温度に応じた補正電圧を出力する機能を有し、
    前記制御回路は、前記第１及び前記第３トランジスタのそれぞれの前記第２ゲートに印加する電圧を、前記補正電圧に応じて、変動させる機能を有する、
    半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
    前記酸化物半導体は、インジウム、元素Ｍ（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）、亜鉛から一又は複数選ばれる材料を有する、
    半導体装置。
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