WO2018211398A1 - Semiconductor device and electronic apparatus - Google Patents

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山崎舜平
加藤清
熱海知昭
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株式会社半導体エネルギー研究所
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Abstract

This semiconductor device (10) is provided with: a first layer (20); and a second layer (30) above the first layer, wherein the first layer has a control circuit (21), and the second layer has a storage circuit (MEM). The control circuit has a function of controlling the operation of the storage circuit, and the storage circuit has a plurality of memory cells (32), wherein the memory cells each has a first transistor (Tr1), a second transistor (Tr2), and a capacitive element (C1). Either a source or a drain of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor and to the capacitive element, and the control circuit has a transistor formed on a semiconductor substrate. The first transistor and the second transistor have a metal oxide in a channel forming region, and the polarity of the first transistor and the polarity of the second transistor are the same.

Description

半導体装置及び電子機器Semiconductor device and electronic equipment
 本発明の一態様は、半導体装置及び電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and an electronic device.
 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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、撮像装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、表示システム、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. Technical fields of one embodiment of the present invention disclosed in this specification and the like include a semiconductor device, an imaging device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a display system, an electronic device, a lighting device, an input device, and an input / output Devices, their driving methods, or their manufacturing methods can be cited as examples.
 また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路、演算装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。また、表示装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。 In this specification and the like, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, a memory device, or the like is one embodiment of a semiconductor device. In addition, a display device, an imaging device, an electro-optical device, a power generation device (including a thin film solar cell and an organic thin film solar cell), and an electronic device may include a semiconductor device.
 特許文献1には、酸化物半導体を用いたトランジスタと、単結晶シリコンを用いたトランジスタによって構成された記憶装置が記載されている。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいことが記載されている。 Patent Document 1 describes a memory device including a transistor using an oxide semiconductor and a transistor using single crystal silicon. Further, it is described that a transistor including an oxide semiconductor has extremely small off-state current.
特開2012−256400号公報JP 2012-256400 A
 本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、消費電力の小さい半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、レイアウトの自由度が高い半導体装置の提供を課題とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a high degree of freedom in layout.
 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、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the problems described above, and may be any that can solve at least one problem. Further, the description of the above problem does not disturb the existence of other problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, claims, drawings, etc., and other issues will be extracted from the description of the specification, claims, drawings, etc. Is possible.
 本発明の一態様に係る半導体装置は、第1の層と、第1の層の上方の第2の層と、を有し、第1の層は、制御回路を有し、第2の層は、記憶回路を有し、制御回路は、記憶回路の動作を制御する機能を有し、記憶回路は、複数のメモリセルと駆動回路とを有し、メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、第1のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第2のトランジスタのゲート及び容量素子と電気的に接続され、制御回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、第1のトランジスタと第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する半導体装置である。 A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a first layer and a second layer above the first layer, the first layer includes a control circuit, and the second layer Includes a memory circuit, the control circuit has a function of controlling the operation of the memory circuit, the memory circuit includes a plurality of memory cells and a driver circuit, and the memory cell includes a first transistor, A second transistor; and a capacitor, wherein one of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to a gate and the capacitor of the second transistor, and the control circuit is formed over the semiconductor substrate The first transistor and the second transistor are semiconductor devices each including a metal oxide in a channel formation region.
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、駆動回路は、第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、第1の駆動回路は、メモリセルを選択する機能を有し、第2の駆動回路は、メモリセルにデータを書き込む機能と、メモリセルに記憶されたデータを読み出す機能と、を有し、第1の駆動回路及び第2の駆動回路は、制御回路と電気的に接続され、第1の駆動回路及び第2の駆動回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有していてもよい。 In the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the driver circuit includes a first driver circuit and a second driver circuit, and the first driver circuit has a function of selecting a memory cell. The second driver circuit has a function of writing data to the memory cell and a function of reading data stored in the memory cell. The first driver circuit and the second driver circuit include a control circuit and The first driver circuit and the second driver circuit which are electrically connected may each include a transistor including a metal oxide in a channel formation region.
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、制御回路は、クロック生成回路と、タイミングコントローラと、を有していてもよい。 In the semiconductor device according to one embodiment of the present invention, the control circuit may include a clock generation circuit and a timing controller.
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、第1の層は、プロセッサと、周辺回路と、電源回路と、を有し、プロセッサ、周辺回路、及び電源回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有していてもよい。 In the semiconductor device of one embodiment of the present invention, the first layer includes a processor, a peripheral circuit, and a power supply circuit, and the processor, the peripheral circuit, and the power supply circuit are formed over the semiconductor substrate. A transistor may be included.
 また、本発明の一態様に係る電子機器は、上記の半導体装置を有する電子機器である。 Further, an electronic device according to one embodiment of the present invention is an electronic device including the above semiconductor device.
 本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、消費電力の小さい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り、信頼性の高い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り、レイアウトの自由度が高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a high degree of freedom in layout can be provided.
 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。また、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。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Further, one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. Effects other than these will be apparent from the description of the specification, claims and drawings, and other effects will be extracted from the description of the specification, claims and drawings. Is possible.
半導体装置の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of a semiconductor device. メモリセルの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a memory cell. 半導体装置の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。8A and 8B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。8A and 8B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。8A and 8B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。8A and 8B are a top view and a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 半導体装置の構成例を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure example of a semiconductor device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device. 電子機器の構成例を示す図。FIG. 9 illustrates a configuration example of an electronic device.
 以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の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。したがって、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the description in the following embodiments, and those skilled in the art can easily understand that the forms and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments.
 また、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、トランジスタのチャネル形成領域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つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。以下、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを、OSトランジスタとも表記する。 In addition, in this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in a broad expression. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OS), and the like. For example, in the case where a metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when a metal oxide has at least one of an amplifying function, a rectifying function, and a switching function, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor, or OS for short. Hereinafter, a transistor including a metal oxide in a channel formation region is also referred to as an OS transistor.
 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。金属酸化物の詳細については後述する。 In addition, in this specification and the like, metal oxides having nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. In addition, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride. Details of the metal oxide will be described later.
 また、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図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、図又は文章に記載されているものとする。ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 In addition, in this specification and the like, when it is explicitly described that X and Y are connected, X and Y are electrically connected, and X and Y function. And the case where X and Y are directly connected are disclosed in this specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and things other than the connection relation shown in the figure or text are also described in the figure or text. Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
 XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element that enables electrical connection between X and Y (for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, etc.) Element, light emitting element, load, etc.) are not connected between X and Y, and elements (for example, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that enable electrical connection between X and Y X and Y are not connected via a resistor element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, or the like.
 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、オン状態、又は、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。又は、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display, etc.) that enables electrical connection between X and Y is shown. More than one element, light emitting element, load, etc.) can be connected between X and Y. Note that the switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in an on state or an off state, and has a function of controlling whether or not to pass a current. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a current flow path. Note that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.
 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とが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit (for example, a logic circuit (an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables a functional connection between X and Y, signal conversion, etc. Circuit (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuit, amplifier circuit (circuit that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifier, differential amplifier circuit, source follower circuit, buffer circuit, etc.), signal generation circuit, memory circuit, control circuit, etc.) One or more can be connected between them. As an example, even if another circuit is interposed between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, X and Y are functionally connected. To do. Note that the case where X and Y are functionally connected includes the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected.
 なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。 In addition, when it is explicitly described that X and Y are electrically connected, a case where X and Y are electrically connected (that is, there is a separate connection between X and Y). And X and Y are functionally connected (that is, they are functionally connected with another circuit between X and Y). And the case where X and Y are directly connected (that is, the case where another element or another circuit is not connected between X and Y). It shall be disclosed in the document. In other words, when it is explicitly described that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly described only that it is connected are disclosed in this specification and the like. It is assumed that
 また、図面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。 In addition, even in the case where independent components are illustrated as being electrically connected to each other in the drawing, one component may have the functions of a plurality of components. is there. For example, in the case where a part of the wiring also functions as an electrode, one conductive film has both the functions of the constituent elements of the wiring function and the electrode function. Therefore, the term “electrically connected” in this specification includes in its category such a case where one conductive film has functions of a plurality of components.
 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。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。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場合がある。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。 In the drawings, the size, the layer thickness, or the region is exaggerated for simplicity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale. The drawings schematically show an ideal example, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, a layer or a resist mask may be lost unintentionally by a process such as etching, but may be omitted for easy understanding. In the drawings, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, in the case where the same function is indicated, the hatch pattern is the same, and there is a case where no reference numeral is given.
 また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。 In particular, in a top view (also referred to as a “plan view”), a perspective view, and the like, some components may be omitted in order to facilitate understanding of the invention. Moreover, description of some hidden lines may be omitted.
 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。 In the present specification and the like, the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.
 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。 Further, in this specification, terms indicating arrangement such as “above” and “below” are used for convenience in order to describe the positional relationship between components with reference to the drawings. Moreover, the positional relationship between components changes suitably according to the direction which draws each structure. Therefore, the present invention is not limited to the words and phrases described in the specification, and can be appropriately rephrased depending on the situation.
 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。 Note that the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed The distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in FIG. Note that in one transistor, the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
 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。 The channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
 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。 Note that depending on the structure of the transistor, the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter also referred to as “effective channel width”) and the channel width (hereinafter “apparently” shown in the top view of the transistor). Sometimes referred to as “channel width”). For example, when the gate electrode covers the side surface of the semiconductor, the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence may not be negligible. For example, in a fine transistor whose gate electrode covers a side surface of a semiconductor, the ratio of a channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may increase. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
 なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。 Note that in this specification and the like, a silicon oxynitride film has a higher oxygen content than nitrogen as its composition. For example, preferably oxygen is 55 atomic% to 65 atomic%, nitrogen is 1 atomic% to 20 atomic%, silicon is 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen is 0.1 atomic% to 10 atomic%. It is included in the concentration range. The silicon nitride oxide film has a nitrogen content higher than that of oxygen. For example, preferably, nitrogen is 55 atomic% to 65 atomic%, oxygen is 1 atomic% to 20 atomic%, silicon is 25 atomic% to 35 atomic%, and hydrogen is 0.1 atomic% to 10 atomic%. It is included in the concentration range.
 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。 In addition, in this specification and the like, the terms “film” and “layer” can be interchanged. For example, the term “conductive layer” may be changed to the term “conductive film”. Alternatively, for example, the term “insulating film” may be changed to the term “insulating layer” in some cases.
 また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。 Further, in this specification and the like, the term “insulator” can be referred to as an insulating film or an insulating layer. In addition, the term “conductor” can be restated as a conductive film or a conductive layer. In addition, the term “semiconductor” can be restated as a semiconductor film or a semiconductor layer.
(実施の形態1)
 本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について説明する。本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板に形成されたトランジスタを有する層と、OSトランジスタを有する層と、が積層された構造を有する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described. A semiconductor device according to one embodiment of the present invention has a structure in which a layer including a transistor formed over a semiconductor substrate and a layer including an OS transistor are stacked.
<半導体装置の構成例1>
 図1に、半導体装置10の構成例を示す。半導体装置10は、層20と、層20の上方に積層された層30を有する。層20は制御回路21を有し、層30は記憶回路MEMを有する。なお、層20と層30の間には、層間絶縁層を設けることができる。
<Configuration Example 1 of Semiconductor Device>
FIG. 1 shows a configuration example of the semiconductor device 10. The semiconductor device 10 includes a layer 20 and a layer 30 stacked above the layer 20. The layer 20 has a control circuit 21 and the layer 30 has a memory circuit MEM. Note that an interlayer insulating layer can be provided between the layer 20 and the layer 30.
 制御回路21は、記憶回路MEMの動作を制御する機能を有する。具体的には、制御回路21は、記憶回路MEMに書き込まれるデータ、データの読み書きを行う記憶回路MEMのアドレスを指定するアドレス信号、及び記憶回路MEMの動作を制御するための各種の制御信号を供給する機能を有する。 The control circuit 21 has a function of controlling the operation of the memory circuit MEM. Specifically, the control circuit 21 receives data to be written in the memory circuit MEM, an address signal that specifies an address of the memory circuit MEM that reads and writes data, and various control signals for controlling the operation of the memory circuit MEM. It has a function to supply.
 制御回路21から出力される制御信号には、クロック信号及びタイミング信号が含まれる。また、制御回路21は、クロック信号を生成する機能を有するクロック生成回路と、タイミング信号を生成する機能を有するタイミングコントローラを有する。 The control signal output from the control circuit 21 includes a clock signal and a timing signal. The control circuit 21 includes a clock generation circuit having a function of generating a clock signal and a timing controller having a function of generating a timing signal.
 制御回路21は、半導体基板SUBに形成されたトランジスタを用いて構成されている。半導体基板SUBは、当該基板の表面近傍にトランジスタのチャネル形成領域を形成することが可能であれば、特に限定されない。例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、化合物半導体基板(SiC基板、GaN基板など)、SOI(Silicon On Insulator)基板などを用いることができる。また、SOI基板として、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて形成されたSIMOX(Separation by IMplanted OXygen)基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法、ELTRAN法(Epitaxial Layer Transfer:登録商標)などを用いて形成されたSOI基板を用いてもよい。単結晶基板を用いて形成されたトランジスタは、チャネル形成領域に単結晶半導体を有する。 The control circuit 21 is configured using transistors formed on the semiconductor substrate SUB. The semiconductor substrate SUB is not particularly limited as long as a channel formation region of a transistor can be formed in the vicinity of the surface of the substrate. For example, a single crystal silicon substrate, a single crystal germanium substrate, a compound semiconductor substrate (SiC substrate, GaN substrate, or the like), an SOI (Silicon On Insulator) substrate, or the like can be used. Further, the SOI substrate was formed by injecting oxygen ions into a mirror-polished wafer and then heating it at a high temperature to form an oxide layer at a certain depth from the surface and eliminate defects generated in the surface layer. Using a SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) substrate, a smart cut method that cleaves a semiconductor substrate using heat treatment of microvoids formed by hydrogen ion implantation, an ELTRAN method (Epitaxial Layer Transfer: registered trademark), etc. A formed SOI substrate may be used. A transistor formed using a single crystal substrate includes a single crystal semiconductor in a channel formation region.
 以下では一例として、半導体基板SUBに単結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。以下、単結晶シリコン基板に形成されたトランジスタを、Siトランジスタともいう。 Hereinafter, as an example, a case where a single crystal silicon substrate is used as the semiconductor substrate SUB will be described. Hereinafter, a transistor formed over a single crystal silicon substrate is also referred to as a Si transistor.
 制御回路21は、層20と層30を接続する配線CLを介して、記憶回路MEMと接続されている。配線CLは、層20と層30の間のコンタクトホールに形成された導電体によって形成される。そして、制御回路21と記憶回路MEM間の信号の入出力は、配線CLを介して行われる。 The control circuit 21 is connected to the memory circuit MEM via the wiring CL that connects the layer 20 and the layer 30. The wiring CL is formed by a conductor formed in a contact hole between the layer 20 and the layer 30. The input / output of signals between the control circuit 21 and the memory circuit MEM is performed via the wiring CL.
 層30に設けられた記憶回路MEMは、セルアレイ31、駆動回路33、駆動回路34を有する。また、セルアレイ31は、マトリクス状に配置された複数のメモリセル32によって構成されている。 The memory circuit MEM provided in the layer 30 includes a cell array 31, a drive circuit 33, and a drive circuit 34. The cell array 31 is composed of a plurality of memory cells 32 arranged in a matrix.
 メモリセル32は、データを記憶する機能を有する。メモリセル32は、2値(ハイレベル及びローレベル)のデータを記憶する機能を有していてもよいし、4値以上の多値データを記憶する機能を有していてもよい。また、メモリセル32はアナログデータを記憶する機能を有していてもよい。 The memory cell 32 has a function of storing data. The memory cell 32 may have a function of storing binary (high level and low level) data, or may have a function of storing multilevel data of four or more values. The memory cell 32 may have a function of storing analog data.
 駆動回路33は、メモリセル32を選択する機能を有する。具体的には、駆動回路33は、データの書き込み又は読み出しを行うメモリセル32を選択するための信号(以下、選択信号ともいう)を、メモリセル32と接続された配線に供給する機能を有する。 The drive circuit 33 has a function of selecting the memory cell 32. Specifically, the drive circuit 33 has a function of supplying a signal for selecting a memory cell 32 from which data is written or read (hereinafter also referred to as a selection signal) to a wiring connected to the memory cell 32. .
 駆動回路34は、メモリセル32にデータを書き込む機能と、メモリセル32に記憶されたデータを読み出す機能と、を有する。具体的には、駆動回路34は、データの書き込みを行うメモリセル32と接続された配線に、メモリセル32に記憶されるデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)を供給する機能を有する。また、駆動回路34は、メモリセル32に記憶されたデータに対応する電位(以下、読み出し電位ともいう)を読み出し、配線CLを介して制御回路MEMに出力する機能を有する。 The drive circuit 34 has a function of writing data to the memory cell 32 and a function of reading data stored in the memory cell 32. Specifically, the drive circuit 34 has a function of supplying a potential corresponding to data stored in the memory cell 32 (hereinafter also referred to as a write potential) to a wiring connected to the memory cell 32 in which data is written. Have. In addition, the drive circuit 34 has a function of reading a potential (hereinafter also referred to as a read potential) corresponding to data stored in the memory cell 32 and outputting the potential to the control circuit MEM via the wiring CL.
 層20に設けられた制御回路21から駆動回路33には、アドレス信号、クロック信号、及びタイミング信号などが配線CLを介して入力される。そして、駆動回路33はこれらの信号を用いて選択信号を生成する。なお、駆動回路33から選択信号が出力されるタイミングは、制御回路21から入力されたタイミング信号によって制御される。 An address signal, a clock signal, a timing signal, and the like are input to the drive circuit 33 from the control circuit 21 provided in the layer 20 through the wiring CL. Then, the drive circuit 33 generates a selection signal using these signals. Note that the timing at which the selection signal is output from the drive circuit 33 is controlled by the timing signal input from the control circuit 21.
 また、層20に設けられた制御回路21から駆動回路34には、アドレス信号、クロック信号、タイミング信号、及びメモリセル32に書き込まれるデータなどが、配線CLを介して供給される。そして、駆動回路34はこれらの信号を用いて書き込み電位を生成する。なお、駆動回路34から書き込み電位が出力されるタイミングは、制御回路21から入力されたタイミング信号によって制御される。 In addition, an address signal, a clock signal, a timing signal, data to be written in the memory cell 32, and the like are supplied from the control circuit 21 provided in the layer 20 to the drive circuit 34 through the wiring CL. Then, the drive circuit 34 generates a write potential using these signals. Note that the timing at which the write potential is output from the drive circuit 34 is controlled by the timing signal input from the control circuit 21.
 なお、図1には、駆動回路33と接続された配線CLと駆動回路34と接続された配線CLをそれぞれ1本ずつ図示しているが、これらの配線CLはそれぞれ、複数の配線によって構成されていてもよい。 In FIG. 1, one wiring CL connected to the drive circuit 33 and one wiring CL connected to the drive circuit 34 are illustrated, but each of these wirings CL is configured by a plurality of wirings. It may be.
 メモリセル32、駆動回路33、及び駆動回路34は、OSトランジスタによって構成されている。酸化物半導体のバンドギャップは3.0eV以上であるため、OSトランジスタは熱励起によるリーク電流が小さく、またオフ電流が極めて小さい。なお、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときにソースとドレインとの間に流れる電流をいう。トランジスタのチャネル形成領域に用いられる酸化物半導体は、インジウム(In)および亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、In−M−Zn酸化物(元素Mは、例えばAl、Ga、YまたはSn)が代表的である。電子供与体(ドナー)となる水分、水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をi型(真性)、又は実質的にi型にすることができる。このような酸化物半導体は、高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。なお、OSトランジスタの詳細については、実施の形態2で説明する。 The memory cell 32, the drive circuit 33, and the drive circuit 34 are configured by OS transistors. Since the band gap of an oxide semiconductor is 3.0 eV or more, the OS transistor has a small leakage current due to thermal excitation and an extremely small off-state current. Note that off-state current refers to current that flows between a source and a drain when a transistor is off. The oxide semiconductor used for the channel formation region of the transistor is preferably an oxide semiconductor containing at least one of indium (In) and zinc (Zn). As such an oxide semiconductor, an In-M-Zn oxide (the element M is typically Al, Ga, Y, or Sn) is typical. By reducing impurities such as moisture and hydrogen which are electron donors (donors) and reducing oxygen vacancies, the oxide semiconductor can be i-type (intrinsic) or substantially i-type. Such an oxide semiconductor can be referred to as a highly purified oxide semiconductor. Note that details of the OS transistor will be described in Embodiment 2.
 OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、メモリセル32に用いるトランジスタとして好適である。OSトランジスタは例えば、チャネル幅1μmあたりのオフ電流を、100zA/μm以下、又は10zA/μm以下、又は1zA/μm以下、又は10yA/μm以下とすることができる。OSトランジスタをメモリセル32に用いることにより、メモリセル32に記憶されたデータを極めて長期間に渡って保持することができる。 The OS transistor is suitable as a transistor used for the memory cell 32 because the off-state current is extremely small. For example, the off-current per channel width of the OS transistor can be 100 zA / μm or less, 10 zA / μm or less, 1 zA / μm or less, or 10 yA / μm or less. By using the OS transistor for the memory cell 32, data stored in the memory cell 32 can be held for an extremely long time.
 図2に、OSトランジスタを用いたメモリセル32の構成例を示す。図2(A)に示すメモリセル32は、トランジスタTr1、トランジスタTr2、容量素子C1を有する。なお、図中の「OS」の符号はOSトランジスタを示している。 FIG. 2 shows a configuration example of the memory cell 32 using the OS transistor. A memory cell 32 illustrated in FIG. 2A includes a transistor Tr1, a transistor Tr2, and a capacitor C1. In the figure, the symbol “OS” indicates an OS transistor.
 トランジスタTr1のゲートはノードa1と接続され、ソース又はドレインの一方はトランジスタTr2のゲート、及び容量素子C1の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa3と接続されている。トランジスタTr2のソース又はドレインの一方はノードa4と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa5と接続されている。容量素子C1の他方の電極は、ノードa2と接続されている。また、ノードa1及びa2は図1における駆動回路33と接続され、ノードa3及びノードa4は図1における駆動回路34と接続されている。なお、トランジスタTr1のソース又はドレインの一方、トランジスタTr2のゲート、及び容量素子C1の一方の電極と接続されたノードを、ノードN1とする。 The gate of the transistor Tr1 is connected to the node a1, one of the source or the drain is connected to the gate of the transistor Tr2 and one electrode of the capacitor C1, and the other of the source or the drain is connected to the node a3. One of the source and the drain of the transistor Tr2 is connected to the node a4, and the other of the source and the drain is connected to the node a5. The other electrode of the capacitive element C1 is connected to the node a2. The nodes a1 and a2 are connected to the drive circuit 33 in FIG. 1, and the nodes a3 and a4 are connected to the drive circuit 34 in FIG. Note that a node connected to one of the source and the drain of the transistor Tr1, the gate of the transistor Tr2, and one electrode of the capacitor C1 is referred to as a node N1.
 メモリセル32にデータを書き込む際は、ノードa3に書き込み電位を供給する。また、ノードa1に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr1をオン状態にする。これにより、書き込み電位がノードN1に供給される。その後、ノードa1にローレベルの電位を供給することにより、トランジスタTr1をオフ状態にする。これにより、ノードN1がフローティング状態となり、書き込み電位が保持される。 When writing data to the memory cell 32, a write potential is supplied to the node a3. In addition, by supplying a selection signal (high-level potential) to the node a1, the transistor Tr1 is turned on. As a result, the write potential is supplied to the node N1. After that, by supplying a low-level potential to the node a1, the transistor Tr1 is turned off. As a result, the node N1 enters a floating state, and the write potential is held.
 メモリセル32に記憶されたデータを読み出す際は、ノードa4の電位が読み出し電位となる。例えば、ノードa5の電位を固定し、ノードa4をプリチャージした後フローティング状態にする。このとき、トランジスタTr2にはノードN1の電位に応じた電流が流れる。そのため、ノードa4の電位がノードN1の電位に応じて決定される。このようにして、メモリセル32に記憶されたデータが読み出される。なお、ノードa2に所定の電位を供給することにより、ノードN1の電位を制御し、読み出しを行うメモリセル32を選択することができる。 When reading the data stored in the memory cell 32, the potential of the node a4 becomes the read potential. For example, the potential of the node a5 is fixed, and the node a4 is precharged and then brought into a floating state. At this time, a current according to the potential of the node N1 flows through the transistor Tr2. Therefore, the potential of the node a4 is determined according to the potential of the node N1. In this way, data stored in the memory cell 32 is read. Note that by supplying a predetermined potential to the node a2, the potential of the node N1 can be controlled and the memory cell 32 from which data is read can be selected.
 ここで、トランジスタTr1はOSトランジスタであり、オフ電流が極めて小さい。そのため、メモリセル32に電力が供給されていない期間においても、ノードN1の電位を極めて長期間に渡って保持することができる。すなわち、メモリセル32は不揮発性の特性を持つ。図2(A)のような、OSトランジスタを用いて構成されたゲインセルによってメモリセル32が構成される記憶回路MEMを、本明細書等では、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。 Here, the transistor Tr1 is an OS transistor and has an extremely small off-state current. Therefore, the potential of the node N1 can be held for a very long period even during a period in which power is not supplied to the memory cell 32. That is, the memory cell 32 has a non-volatile characteristic. In this specification and the like, a memory circuit MEM in which a memory cell 32 is configured by a gain cell configured using an OS transistor as illustrated in FIG.
 NOSRAMは、容量素子の充放電によってデータの書き換えを行うため、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、データの書き込み及び読み出しが可能である。また、メモリセルの回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。したがってNOSRAMは、容量が大きく、消費電力が小さく、且つ書き替え耐性が高いメモリである。 NOSRAM rewrites data by charging / discharging capacitive elements, so that in principle there is no restriction on the number of rewrites, and data can be written and read with low energy. Further, since the circuit configuration of the memory cell is simple, the capacity can be easily increased. Therefore, NOSRAM is a memory having a large capacity, low power consumption, and high rewrite resistance.
 また、トランジスタTr2もOSトランジスタによって構成されている。すなわち、メモリセル32はSiトランジスタを含まず、nチャネル型のOSトランジスタによって構成されている。このように、同一の極性のトランジスタによって構成されている回路を、以下、単極性回路ともいう。 The transistor Tr2 is also composed of an OS transistor. That is, the memory cell 32 does not include a Si transistor and is configured by an n-channel OS transistor. In this way, a circuit constituted by transistors having the same polarity is hereinafter also referred to as a unipolar circuit.
 また、図2(B)に示すように、メモリセル32はデータの読み出しを選択するトランジスタTr3を有していてもよい。図2(B)においては、ノードa6にハイレベルの電位が供給され、トランジスタTr3がオン状態となったときに読み出しが行われる。 Further, as shown in FIG. 2B, the memory cell 32 may include a transistor Tr3 that selects reading of data. In FIG. 2B, reading is performed when a high-level potential is supplied to the node a6 and the transistor Tr3 is turned on.
 メモリセル32の一部のノードは、他のメモリセル32と共有されていてもよい。例えば図2(C)に示すように、隣接するメモリセル32間でノードa3を共有することができる。この場合、隣接するメモリセル32の書き込み電位は、ノードa3と接続された共通の配線から供給される。 Some nodes of the memory cell 32 may be shared with other memory cells 32. For example, as shown in FIG. 2C, the node a3 can be shared between adjacent memory cells 32. In this case, the write potential of the adjacent memory cell 32 is supplied from a common wiring connected to the node a3.
 また、メモリセル32として、図2(D)に示す構成を用いることもできる。図2(D)に示すメモリセル32は、トランジスタTr4、および容量素子C2を有する。 Alternatively, the structure shown in FIG. 2D can be used as the memory cell 32. A memory cell 32 illustrated in FIG. 2D includes a transistor Tr4 and a capacitor C2.
 トランジスタTr4のゲートはノードa7と接続され、ソース又はドレインの一方は容量素子C2の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa8と接続されている。容量素子C2の他方の電極は、定電位(例えば、低電源電位)が供給されるノードa9と接続されている。また、ノードa7は図1における駆動回路33と接続され、ノードa8は図1における駆動回路34と接続されている。なお、トランジスタTr4のソース又はドレインの一方、及び容量素子C2の一方の電極と接続されたノードを、ノードN2とする。 The gate of the transistor Tr4 is connected to the node a7, one of the source and the drain is connected to one electrode of the capacitor C2, and the other of the source and the drain is connected to the node a8. The other electrode of the capacitive element C2 is connected to a node a9 to which a constant potential (for example, a low power supply potential) is supplied. Further, the node a7 is connected to the driving circuit 33 in FIG. 1, and the node a8 is connected to the driving circuit 34 in FIG. Note that a node connected to one of the source and the drain of the transistor Tr4 and the one electrode of the capacitor C2 is a node N2.
 メモリセル32にデータを書き込む際は、ノードa8に書き込み電位を供給する。そして、ノードa7に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr4をオン状態にする。これにより、書き込み電位がノードN2に書き込まれる。その後、ノードa7にローレベルの電位を供給することにより、トランジスタTr4をオフ状態にする。これにより、ノードN2がフローティング状態となり、書き込み電位が保持される。 When writing data to the memory cell 32, a write potential is supplied to the node a8. Then, by supplying a selection signal (high-level potential) to the node a7, the transistor Tr4 is turned on. Thereby, the write potential is written to the node N2. After that, by supplying a low-level potential to the node a7, the transistor Tr4 is turned off. As a result, the node N2 enters a floating state, and the write potential is held.
 メモリセル32に記憶されたデータを読み出す際は、ノードa8の電位が読み出し電位となる。ノードa7に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr4をオン状態にする。これにより、ノードa8の電位がノードN2の電位に応じて決定される。このようにして、メモリセル32に記憶されたデータが読み出される。 When reading the data stored in the memory cell 32, the potential of the node a8 becomes the read potential. By supplying a selection signal (high level potential) to the node a7, the transistor Tr4 is turned on. Thereby, the potential of the node a8 is determined according to the potential of the node N2. In this way, data stored in the memory cell 32 is read.
 トランジスタTr4にはOSトランジスタが用いられているため、ノードN2の電位は極めて長期間に渡って保持される。これにより、データのリフレッシュの頻度を極めて少なくすることが可能となり、消費電力を低減することができる。図2(D)に示す回路によってメモリセル32が構成される記憶回路MEMを、本明細書等では、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。 Since an OS transistor is used as the transistor Tr4, the potential of the node N2 is held for an extremely long time. As a result, the frequency of data refresh can be extremely reduced, and the power consumption can be reduced. In this specification and the like, the memory circuit MEM in which the memory cell 32 includes the circuit illustrated in FIG. 2D is referred to as DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory).
 図1に示す駆動回路33及び駆動回路34も、上記のメモリセル32と同様に、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成されている。すなわち層30は、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成された記憶回路MEMを有する。 The drive circuit 33 and the drive circuit 34 shown in FIG. 1 are also configured by a unipolar circuit using an OS transistor, like the memory cell 32 described above. That is, the layer 30 includes the memory circuit MEM configured by a unipolar circuit using an OS transistor.
 ここで、例えば記憶回路MEMが、層20に形成されたpチャネル型のSiトランジスタと、層30に形成されたnチャネル型のOSトランジスタを用いて構成されている場合、これらのトランジスタを接続するための接続部(コンタクトホール及び配線)が多数必要になる。特に、複数のメモリセル32がSiトランジスタとOSトランジスタを用いて構成されている場合、各メモリセル32において層20と層30の接続が必要となり、接続部の数の増大はより顕著になる。この接続部の増加は、回路レイアウトの自由度低下の原因になる。 Here, for example, when the memory circuit MEM is configured using a p-channel Si transistor formed in the layer 20 and an n-channel OS transistor formed in the layer 30, these transistors are connected. For this purpose, a large number of connecting portions (contact holes and wirings) are required. In particular, when the plurality of memory cells 32 are configured using Si transistors and OS transistors, the connection between the layer 20 and the layer 30 is required in each memory cell 32, and the increase in the number of connection portions becomes more remarkable. This increase in the number of connecting portions causes a reduction in the degree of freedom in circuit layout.
 また、OSトランジスタに含まれる酸化物半導体への不純物(水素など)の混入は、OSトランジスタの劣化の原因になる。ここで、接続部が不純物の経路となり、接続部を介して層30に不純物が侵入し得る。そのため、層20と層30間の接続部が増加すると、酸化物半導体に混入する不純物が増加し、層30に形成されたOSトランジスタの劣化を招く。 Further, mixing of impurities (such as hydrogen) into the oxide semiconductor included in the OS transistor causes deterioration of the OS transistor. Here, the connection portion serves as an impurity path, and the impurity can enter the layer 30 through the connection portion. Therefore, when the connection portion between the layer 20 and the layer 30 is increased, impurities mixed in the oxide semiconductor are increased, and the OS transistor formed in the layer 30 is deteriorated.
 本発明の一態様においては、記憶回路MEMがOSトランジスタを用いた単極性回路によって構成されている。そのため、記憶回路MEMの内部における層20と層30の間の接続が不要となる。具体的には、アドレス信号、データ、及び各種の制御信号など、記憶回路MEM全体の動作に必要な所定の情報は層20から供給されるが、記憶回路MEMの内部で生成される信号は、駆動回路34から最終的に出力されるデータ(記憶回路MEMの読み出しデータ)を除き、層20への出力が不要となる。これにより、接続部の数を削減することができ、回路レイアウトの自由度の向上、及びOSトランジスタの信頼性の向上を図ることができる。 In one embodiment of the present invention, the memory circuit MEM is configured by a unipolar circuit using an OS transistor. Therefore, the connection between the layer 20 and the layer 30 inside the memory circuit MEM is unnecessary. Specifically, predetermined information necessary for the operation of the entire memory circuit MEM, such as address signals, data, and various control signals, is supplied from the layer 20, but signals generated inside the memory circuit MEM are: Except for data that is finally output from the drive circuit 34 (read data of the memory circuit MEM), output to the layer 20 becomes unnecessary. As a result, the number of connection portions can be reduced, and the degree of freedom in circuit layout and the reliability of the OS transistor can be improved.
 特に、メモリセル32は多数設けられるため、メモリセル32を単極性回路によって構成することにより、接続部の数を大幅に削減することができる。また、駆動回路33及び駆動回路34をセルアレイ31と同じ層に設けることにより、駆動回路33とセルアレイ31、及び、駆動回路34とセルアレイ31を接続する多数の配線が、層20と層30に設けられることを回避することができ、接続部の数をさらに削減することができる。 In particular, since a large number of memory cells 32 are provided, the number of connection portions can be greatly reduced by configuring the memory cells 32 with a unipolar circuit. Further, by providing the drive circuit 33 and the drive circuit 34 in the same layer as the cell array 31, a large number of wirings connecting the drive circuit 33 and the cell array 31 and the drive circuit 34 and the cell array 31 are provided in the layer 20 and the layer 30. Can be avoided, and the number of connecting portions can be further reduced.
 なお、記憶回路MEMを制御する制御回路21は層20に設けられており、Siトランジスタを用いたCMOS回路などによって構成することができる。これにより、動作が高速で高性能な制御回路21を構成し、これを用いて記憶回路MEMを動作させることができる。例えば、記憶回路MEMに用いることができるクロック生成回路及びタイミングコントローラを、Siトランジスタを用いて構成することができる。 Note that the control circuit 21 for controlling the memory circuit MEM is provided in the layer 20 and can be constituted by a CMOS circuit using a Si transistor or the like. Thereby, the high-speed and high-performance control circuit 21 can be configured, and the memory circuit MEM can be operated using the control circuit 21. For example, a clock generation circuit and a timing controller that can be used for the memory circuit MEM can be configured using Si transistors.
 また、層20には制御回路21以外の回路を設けることもできる。例えば、図1に示すように、層20はプロセッサ22、周辺回路23、及び電源回路24を有していてもよい。この場合、プロセッサ22、周辺回路23、及び電源回路24はSiトランジスタを用いて構成される。 Further, a circuit other than the control circuit 21 can be provided in the layer 20. For example, as shown in FIG. 1, the layer 20 may include a processor 22, a peripheral circuit 23, and a power supply circuit 24. In this case, the processor 22, the peripheral circuit 23, and the power supply circuit 24 are configured using Si transistors.
 プロセッサ22としては、CPU(Central Processor Unit)、MPU(MicroProcessor Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)などを用いることができる。周辺回路23としては、記憶回路、入出力回路、パワーマネージメントユニット、タイマー、カウンター、変換回路(AD変換回路、DA変換回路など)などを用いることができる。なお、周辺回路23は複数設けられていてもよい。 As the processor 22, a CPU (Central Processor Unit), an MPU (Micro Processor Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), or the like can be used. As the peripheral circuit 23, a memory circuit, an input / output circuit, a power management unit, a timer, a counter, a conversion circuit (an AD conversion circuit, a DA conversion circuit, or the like) can be used. A plurality of peripheral circuits 23 may be provided.
 周辺回路としてメモリを用いる場合、当該メモリとしては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)などの揮発性メモリ、又は、フラッシュメモリ、磁気記憶装置(ハードディスクドライブ、磁気メモリなど)、ROM(Read Only Memory)などの不揮発性メモリを用いることができる。また、揮発性メモリと不揮発性メモリの両方を用いて構成することもできる。 When a memory is used as a peripheral circuit, the memory may be a volatile memory such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Random Access Memory), or a flash memory, a magnetic storage device (hard disk drive, magnetic memory, etc.) A non-volatile memory such as ROM (Read Only Memory) can be used. Moreover, it can also comprise using both a volatile memory and a non-volatile memory.
 制御回路21、プロセッサ22及び周辺回路23は、バスBUSと接続されている。これにより、制御回路21、プロセッサ22及び周辺回路23間でデータ又は信号の送受信を、バスBUSを介して行うことができる。例えば、記憶回路MEMから制御回路21に出力されたデータを、プロセッサ22による処理に用いる、又は周辺回路23として設けられたメモリに格納する、などの処理を行うことができる。 The control circuit 21, the processor 22, and the peripheral circuit 23 are connected to the bus BUS. Thereby, transmission / reception of data or signals among the control circuit 21, the processor 22, and the peripheral circuit 23 can be performed via the bus BUS. For example, data output from the memory circuit MEM to the control circuit 21 can be used for processing by the processor 22 or stored in a memory provided as the peripheral circuit 23.
 電源回路24は、層20が有する各種回路に電力を供給する機能を有する。また、電源回路24は、層20と層30の間に設けられた配線を介して、層30が有する各種回路に電力を供給する機能を有していてもよい。 The power supply circuit 24 has a function of supplying power to various circuits included in the layer 20. In addition, the power supply circuit 24 may have a function of supplying power to various circuits included in the layer 30 through a wiring provided between the layer 20 and the layer 30.
 なお、図1にはプロセッサ22及び周辺回路23が層20に設けられた構成を示したが、これらの回路は層30に設けることもできる。この場合、プロセッサ22及び周辺回路23はOSトランジスタを用いた単極性回路によって構成される。 Although FIG. 1 shows a configuration in which the processor 22 and the peripheral circuit 23 are provided in the layer 20, these circuits can also be provided in the layer 30. In this case, the processor 22 and the peripheral circuit 23 are configured by a unipolar circuit using OS transistors.
 以上のように、本発明の一態様においては、記憶回路MEMを、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成することにより、層20と層30の間の接続部の数を削減することができる。なお、半導体装置10は、記憶装置や演算装置などとして用いることができる。 As described above, in one embodiment of the present invention, the memory circuit MEM is formed using a unipolar circuit including an OS transistor, whereby the number of connection portions between the layers 20 and 30 can be reduced. . Note that the semiconductor device 10 can be used as a storage device, an arithmetic device, or the like.
 なお、上記では層30に設けられる回路にOSトランジスタが用いられる構成について説明したが、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。このようなトランジスタとしては、例えば、非晶質シリコン膜、微結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜、単結晶シリコン膜、非晶質ゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜、多結晶ゲルマニウム膜、又は単結晶ゲルマニウム膜を半導体層に用いたトランジスタが挙げられる。 Note that the structure in which the OS transistor is used for the circuit provided in the layer 30 is described above; however, a transistor in which a channel formation region is formed in a film containing a semiconductor material other than an oxide semiconductor can also be used. Examples of such a transistor include an amorphous silicon film, a microcrystalline silicon film, a polycrystalline silicon film, a single crystal silicon film, an amorphous germanium film, a microcrystalline germanium film, a polycrystalline germanium film, or a single crystal germanium. A transistor using a film as a semiconductor layer can be given.
<半導体装置の構成例2>
 図1には、層20上に記憶回路MEMを有する層30が1層設けられた構成例を示しているが、層20上に2層以上の層30を積層することもできる。図3に、層20上にN層(Nは2以上の整数)の層30(層30_1乃至30_N)が積層された構成を示す。層30_1乃至30_Nはそれぞれ、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nを有する。なお、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nの構成及び機能は、図1における記憶回路MEMと同様である。
<Configuration Example 2 of Semiconductor Device>
Although FIG. 1 shows a configuration example in which one layer 30 having the memory circuit MEM is provided on the layer 20, two or more layers 30 can be stacked on the layer 20. FIG. 3 shows a structure in which N layers (N is an integer of 2 or more) layers 30 (layers 30_1 to 30_N) are stacked on the layer 20. The layers 30_1 to 30_N include memory circuits MEM_1 to MEM_N, respectively. Note that the structures and functions of the memory circuits MEM_1 to MEM_N are similar to those of the memory circuit MEM in FIG.
 また、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nはそれぞれ、配線CEを介して制御回路21と接続されている。配線CEは記憶回路MEMの選択線であり、制御回路21は配線CEに選択信号を供給することにより、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nから制御信号などを供給する記憶回路MEMを選択する。そして、選択された記憶回路MEMに、配線CLを介して制御信号などが供給される。 Further, each of the memory circuits MEM_1 to MEM_N is connected to the control circuit 21 via the wiring CE. The wiring CE is a selection line of the memory circuit MEM, and the control circuit 21 supplies a selection signal to the wiring CE, thereby selecting the memory circuit MEM that supplies a control signal or the like from the memory circuits MEM_1 to MEM_N. Then, a control signal or the like is supplied to the selected memory circuit MEM via the wiring CL.
 このように、記憶回路MEMを積層することにより、半導体装置10に記憶されるデータ量を増やすことができる。 Thus, the amount of data stored in the semiconductor device 10 can be increased by stacking the memory circuits MEM.
 また、図1には層20の上方(回路形成面側)に層30が設けられた構成例を示しているが、層20の下方(回路形成面の反対側)に層30が設けられていてもよい。図4に、層20の上方に層30_1が設けられ、層20の下方に層30_2が設けられた構成を示す。なお、層30_1の上方、又は/及び層30_2の下方に、さらに1層又は2層以上の層30を設けることもできる。 1 shows a configuration example in which the layer 30 is provided above the layer 20 (circuit formation surface side), but the layer 30 is provided below the layer 20 (opposite side of the circuit formation surface). May be. FIG. 4 illustrates a structure in which a layer 30_1 is provided above the layer 20 and a layer 30_2 is provided below the layer 20. Note that one layer or two or more layers 30 may be further provided above the layer 30_1 and / or below the layer 30_2.
<半導体装置の構成例3>
 図1には、層30に記憶回路MEMが設けられた構成例を示しているが、層30に設けられる回路は記憶回路MEMに限定されない。また、層30には機能の異なる複数の回路が設けられていてもよい。図5に、層30がNOSRAM、DOSRAM、FPGA、及びアナログ演算回路を有する構成例を示す。また、層20は制御回路25、制御回路26、制御回路27、及び制御回路28を有し、制御回路25、制御回路26、制御回路27、及び制御回路28はバスBUSと接続されている。
<Configuration Example 3 of Semiconductor Device>
Although FIG. 1 illustrates a configuration example in which the memory circuit MEM is provided in the layer 30, the circuit provided in the layer 30 is not limited to the memory circuit MEM. The layer 30 may be provided with a plurality of circuits having different functions. FIG. 5 illustrates a configuration example in which the layer 30 includes NOSRAM, DOSRAM, FPGA, and an analog arithmetic circuit. The layer 20 includes a control circuit 25, a control circuit 26, a control circuit 27, and a control circuit 28. The control circuit 25, the control circuit 26, the control circuit 27, and the control circuit 28 are connected to the bus BUS.
 制御回路25はNOSRAMと接続されており、制御回路26はDOSRAMと接続されている。制御回路25と制御回路26の構成及び機能は、図1における制御回路21と同様である。 The control circuit 25 is connected to NOSRAM, and the control circuit 26 is connected to DOSRAM. The configurations and functions of the control circuit 25 and the control circuit 26 are the same as those of the control circuit 21 in FIG.
 FPGAは、ユーザーが回路構成を任意に変更することが可能なデバイスである。FPGAの回路構成の変更は、FPGAのロジックエレメント及び配線間スイッチに設けられたコンフィギュレーションメモリに記憶されたデータ(コンフィギュレーションデータ)を変更することにより行われる。 FPGA is a device that allows the user to arbitrarily change the circuit configuration. The change in the circuit configuration of the FPGA is performed by changing data (configuration data) stored in the configuration memory provided in the logic element of the FPGA and the switch between wirings.
 上記のコンフィギュレーションメモリは、OSトランジスタを用いた単極性回路により構成することができる。例えば、コンフィギュレーションメモリに図2(A)、(B)に示す回路構成を用いることができる。 The above configuration memory can be composed of a unipolar circuit using OS transistors. For example, the circuit configuration shown in FIGS. 2A and 2B can be used for the configuration memory.
 制御回路27はFPGAと接続されている。制御回路27からFPGAには各種の制御信号やデータ(コンフィギュレーションデータ、演算の入力データなど)などが出力され、FPGAによる演算の結果などがFPGAから制御回路27に出力される。 The control circuit 27 is connected to the FPGA. Various control signals and data (configuration data, calculation input data, etc.) are output from the control circuit 27 to the FPGA, and the result of the calculation by the FPGA is output from the FPGA to the control circuit 27.
 アナログ演算回路は、アナログデータを用いた演算を行う機能を有する。このアナログデータは、アナログ演算回路に設けられたアナログメモリに記憶される。アナログ演算回路は、例えばAI(Artificial Intelligence)の演算に用いることができる。具体的には、ニューラルネットワークの積和演算を、層30に設けられたアナログ演算回路によって行うことができる。積和演算をアナログ演算回路によって行うことにより、回路規模の縮小及び消費電力の向上を図ることができる。 Analog operation circuit has a function to perform operations using analog data. This analog data is stored in an analog memory provided in the analog arithmetic circuit. The analog arithmetic circuit can be used for arithmetic operation of AI (Artificial Intelligence), for example. Specifically, the product-sum operation of the neural network can be performed by an analog operation circuit provided in the layer 30. By performing the product-sum operation using an analog operation circuit, the circuit scale can be reduced and the power consumption can be improved.
 アナログ演算回路に設けられるアナログメモリは、OSトランジスタを用いた単極性回路により構成することができる。例えば、アナログメモリに図2(A)、(B)に示す回路構成を用いることができる。 The analog memory provided in the analog arithmetic circuit can be composed of a unipolar circuit using an OS transistor. For example, the circuit configuration shown in FIGS. 2A and 2B can be used for the analog memory.
 制御回路28はアナログ演算回路と接続されている。制御回路28からアナログ演算回路には各種の制御信号やデータ(演算の入力データなど)などが出力され、演算の結果などがアナログ演算回路から制御回路28に出力される。 The control circuit 28 is connected to an analog arithmetic circuit. Various control signals and data (calculation input data and the like) are output from the control circuit 28 to the analog arithmetic circuit, and the arithmetic result is output from the analog arithmetic circuit to the control circuit 28.
 なお、図5においては同一の層30にNOSRAM、DOSRAM、FPGA、及びアナログ演算回路が設けられた構成例を示しているが、これらの回路はそれぞれ別の層30に設けられていてもよい。 5 shows a configuration example in which NOSRAM, DOSRAM, FPGA, and an analog arithmetic circuit are provided in the same layer 30, but these circuits may be provided in different layers 30, respectively.
<半導体装置の構成例4>
 半導体装置10は、撮像装置としての機能を有していてもよい。図6に、撮像装置としての機能を有する半導体装置10の構成例を示す。図6に示す半導体装置10は、記憶回路MEMを有する層30(図1参照)の上方に、さらに層40が積層された構造を有する。
<Configuration Example 4 of Semiconductor Device>
The semiconductor device 10 may have a function as an imaging device. FIG. 6 illustrates a configuration example of the semiconductor device 10 having a function as an imaging device. The semiconductor device 10 illustrated in FIG. 6 has a structure in which a layer 40 is further stacked above the layer 30 (see FIG. 1) including the memory circuit MEM.
 層40は、複数の受光素子によって構成される受光部41を有する。受光部41は、照射された光を電気信号に変換し、撮像データとして出力する機能を有する。 The layer 40 has a light receiving part 41 constituted by a plurality of light receiving elements. The light receiving unit 41 has a function of converting the irradiated light into an electrical signal and outputting it as imaging data.
 受光素子としては、例えば、セレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードなどを用いることができる。セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高く、高感度の光センサを実現することができる。 As the light receiving element, for example, a pn junction photodiode using a selenium-based material as a photoelectric conversion layer can be used. A photoelectric conversion element using a selenium-based material has high external quantum efficiency with respect to visible light, and can realize a highly sensitive photosensor.
 セレン系材料はp型半導体として用いることができる。セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。 Selenium-based material can be used as a p-type semiconductor. Examples of the selenium-based material include crystalline selenium such as single crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, selenium compound (CIS), or copper, indium, gallium, selenium compound (CIGS), etc. Can be used.
 上記pn接合型フォトダイオードのn型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。 The n-type semiconductor of the pn junction photodiode is preferably formed of a material having a wide band gap and a light-transmitting property with respect to visible light. For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, or an oxide in which they are mixed can be used.
 また、層40が有する受光素子として、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体により構成されたpn接合型フォトダイオードを用いてもよい。また、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の間にi型シリコン半導体層を設けたpin接合型フォトダイオードであってもよい。 Further, as the light receiving element of the layer 40, a pn junction type photodiode composed of a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor may be used. Further, it may be a pin junction photodiode in which an i-type silicon semiconductor layer is provided between a p-type silicon semiconductor and an n-type silicon semiconductor.
 上記シリコンを用いたフォトダイオードは単結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどを用いて形成することもできる。 The photodiode using silicon can be formed using single crystal silicon, amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or the like.
 また、層20は、受光部41と接続された制御回路29を有する。受光部41によって取得された撮像データは、制御回路29に出力される。 The layer 20 has a control circuit 29 connected to the light receiving unit 41. The imaging data acquired by the light receiving unit 41 is output to the control circuit 29.
 図6に示す半導体装置10は、カメラなどに内蔵されるセンサなどとして用いることができる。 The semiconductor device 10 shown in FIG. 6 can be used as a sensor built in a camera or the like.
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment mode can be combined with any of the other embodiment modes as appropriate.
(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半導体装置の具体的な構成例について、図7乃至図19を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a specific structural example of the semiconductor device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.
<半導体装置の構成例>
 図7乃至図11は、本発明の一態様に係る、トランジスタ300(トランジスタ300a、トランジスタ300b、およびトランジスタ300c)、トランジスタ700、メモリセル600、を有する記憶装置の上面図および断面図である。ここで、メモリセル600は、トランジスタ200、トランジスタ500、および容量素子100を有する。
<Configuration example of semiconductor device>
7 to 11 are a top view and a cross-sectional view of a memory device including a transistor 300 (a transistor 300a, a transistor 300b, and a transistor 300c), a transistor 700, and a memory cell 600 according to one embodiment of the present invention. Here, the memory cell 600 includes the transistor 200, the transistor 500, and the capacitor 100.
 図7は、本発明の一態様に係る記憶装置の断面図であり、トランジスタ300(トランジスタ300a、トランジスタ300b、およびトランジスタ300c)が配置された、下側の層が、実施の形態1に示す層20に対応しており、トランジスタ700およびメモリセル600が配置された、上側の層が、実施の形態1に示す層30に対応している。図8(A)は、図7でチャネル長方向の断面図が示されている、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面図である。また、図8(B)は、図7でチャネル長方向の断面図が示されている、トランジスタ300aのチャネル幅方向の断面図である。図9(A)は、メモリセル600の上面図である。また、図9(B)、図10(A)、図10(B)、図11(A)および図11(B)はメモリセル600の断面図である。ここで、図9(B)は、図9(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図10(A)は、図9(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図10(B)は、図9(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ500のチャネル長方向の断面図でもある。また、図11(A)は、図9(A)にA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域の一方の断面図でもある。また、図11(B)は、図9(A)にA9−A10の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域の他方の断面図でもある。なお、図9(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 7 is a cross-sectional view of the memory device according to one embodiment of the present invention. The lower layer in which the transistor 300 (the transistor 300a, the transistor 300b, and the transistor 300c) is provided is the layer described in Embodiment 1. The upper layer in which the transistor 700 and the memory cell 600 are arranged corresponds to the layer 30 described in Embodiment 1. FIG. 8A is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 700, which is a cross-sectional view in the channel length direction in FIG. 7. FIG. 8B is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 300a, which is a cross-sectional view in the channel length direction in FIG. FIG. 9A is a top view of the memory cell 600. 9B, 10A, 10B, 11A, and 11B are cross-sectional views of the memory cell 600. FIG. Here, FIG. 9B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 9A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200 and in the channel width direction of the transistor 500. . 10A is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 9A and is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. FIG. FIG. 10B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A5-A6 in FIG. 9A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 500. FIG. 11A is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A7-A8 in FIG. 9A, and is also a cross-sectional view of one of the source region and the drain region of the transistor 200. FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A9-A10 in FIG. 9A and is the other cross-sectional view of the source region or the drain region of the transistor 200. Note that in the top view of FIG. 9A, some elements are omitted for clarity.
 ここで、トランジスタ300は、層20に設けられたトランジスタに対応し、特に、トランジスタ300aは制御回路21に設けられたトランジスタに対応する。また、トランジスタ700は、駆動回路33または駆動回路34に設けられたトランジスタに対応する。メモリセル600はメモリセル32と対応し、トランジスタ200はトランジスタTr1と対応し、トランジスタ500はトランジスタTr2と対応し、容量素子100は容量素子C1と対応する。 Here, the transistor 300 corresponds to the transistor provided in the layer 20, and in particular, the transistor 300 a corresponds to the transistor provided in the control circuit 21. The transistor 700 corresponds to a transistor provided in the drive circuit 33 or the drive circuit 34. The memory cell 600 corresponds to the memory cell 32, the transistor 200 corresponds to the transistor Tr1, the transistor 500 corresponds to the transistor Tr2, and the capacitor 100 corresponds to the capacitor C1.
 まず、本実施の形態に示す半導体装置の、下側の層(層20に対応する層)について説明する。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。また、各トランジスタ300は、素子分離絶縁層として機能する絶縁体321によって、電気的に分離されている。絶縁体321は、後述する絶縁体326などと同様の絶縁体を用いることができる。 First, a lower layer (a layer corresponding to the layer 20) of the semiconductor device described in this embodiment will be described. The transistor 300 includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 including a part of the substrate 311, a low resistance region 314a which functions as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b. Have. Each transistor 300 is electrically isolated by an insulator 321 functioning as an element isolation insulating layer. As the insulator 321, an insulator similar to the insulator 326 described later can be used.
 トランジスタ300は、図8(B)に示すように、半導体領域313の上面およ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ので、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。 In the transistor 300, as illustrated in FIG. 8B, the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with a conductor 316 with an insulator 315 interposed therebetween. In this manner, when the transistor 300 is of the Fin type, an effective channel width is increased, so that the on-state characteristics of the transistor 300 can be improved. In addition, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, off characteristics of the transistor 300 can be improved.
 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。 The transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
 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。 The region in which the channel of the semiconductor region 313 is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 314a that serves as the source region or the drain region, the low resistance region 314b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.
 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。 The low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or a p-type conductivity property such as boron, in addition to the semiconductor material used for the semiconductor region 313. Containing elements.
 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。 The conductor 316 functioning as a gate electrode includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron. A conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.
 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。 Since the work function is determined by the material of the conductor, the threshold voltage can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.
 なお、図7など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。 Note that the transistor 300 illustrated in FIGS. 7A and 7B is an example, and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.
 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。 The insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are stacked in this order so as to cover the transistor 300.
 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。 As the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used. That's fine.
 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。 The insulator 322 may have a function as a planarization film that planarizes a step generated by the transistor 300 or the like provided thereunder. For example, the upper surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to improve planarity.
 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。 The insulator 324 is preferably formed using a film having a barrier property such that hydrogen and impurities do not diffuse from the substrate 311 or the transistor 300 into a region where the transistor 200 is provided.
 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。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.
 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/cm以下、好ましくは5×1015atoms/cm以下であればよい。 The amount of desorption of hydrogen can be analyzed using, for example, a temperature programmed desorption gas analysis method (TDS). For example, the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is calculated by converting the amount of desorption converted to hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range of the surface temperature of the film from 50 ° C. to 500 ° C. in TDS analysis. 10 × 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 × 10 15 atoms / cm 2 or less.
 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。 Note that the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324. For example, the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3. For example, the relative dielectric constant of the insulator 326 is preferably equal to or less than 0.7 times, more preferably equal to or less than 0.6 times that of the insulator 324. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.
 また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には、トランジスタ300のゲート、ソースまたはドレインとしての機能や、トランジスタ700に接続される配線CLとしての機能を有する導電体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、または配線としての機能を有する。また、プラグまた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。 The insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 each have a function as a gate, a source, or a drain of the transistor 300 or a conductor 328 that functions as the wiring CL connected to the transistor 700. , And the conductor 330 and the like are embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings. In addition, a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by collecting a plurality of structures. In this specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
 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。 As a material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked layer. Can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed using a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low-resistance conductive material.
 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7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、または配線としての機能を有する。なお導電体356は、導電体328、および導電体330と同様の材料を用いて設けることができる。 A wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330. For example, in FIG. 7, the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are sequentially stacked. A conductor 356 is formed in the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.
 なお、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を含む層とトランジスタ700を含む層とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300を含む層からトランジスタ700を含む層への水素の拡散を抑制することができる。 Note that as the insulator 350, an insulator having a barrier property against hydrogen is preferably used as in the case of the insulator 324. The conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen. In particular, a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen. With this structure, the layer including the transistor 300 and the layer including the transistor 700 can be separated by a barrier layer, so that diffusion of hydrogen from the layer including the transistor 300 to the layer including the transistor 700 can be suppressed.
 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。 For example, tantalum nitride may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
 また、絶縁体354、および導電体356上に、同様の構造の配線層を設けてもよい。導電体356を含む配線層と同様の配線層を2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3層以上にしてもよい。 Further, a wiring layer having a similar structure may be provided over the insulator 354 and the conductor 356. The wiring layer similar to the wiring layer including the conductor 356 may be two or less, or the wiring layer similar to the wiring layer including the conductor 356 may be three or more.
 絶縁体354上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。なお、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216の詳細については後述する。 An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 354. Any of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 is preferably formed using a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. Note that details of the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 will be described later.
 例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、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。 For example, the insulator 210 and the insulator 214 are preferably formed using a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from a region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to a region where the transistor 200 is provided. . Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.
 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700を含む層と、トランジスタ300を含む層との間に、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。 As an example of a film having a barrier property against hydrogen, silicon nitride formed by a CVD method can be used. Here, when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the layer including the transistor 700 and the layer including the transistor 300. Specifically, the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.
 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、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。 Further, as the film having a barrier property against hydrogen, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 210 and the insulator 214.
 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。 In particular, aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.
 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。 For example, the insulator 212 and the insulator 216 can be formed using the same material as the insulator 320. In addition, by using a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. For example, as the insulator 212 and the insulator 216, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.
 また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などを構成する導電体(例えば、導電体703、導電体705等)が埋め込まれている。 The insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 include the conductor 218 and the conductors included in the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, and the like (eg, the conductor 703 and the conductor 705). Etc.) are embedded.
 絶縁体216の上には、絶縁体220、および絶縁体222が設けられ、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などの層を形成している。また、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などを覆って絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280が設けられる。ここで、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280の詳細な構成については後述する。 The insulator 220 and the insulator 222 are provided over the insulator 216, and layers such as the transistor 200, the transistor 500, and the transistor 700 are formed. An insulator 273, an insulator 274, and an insulator 280 are provided so as to cover the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, and the like. Here, detailed structures of the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 273, the insulator 274, and the insulator 280 will be described later.
 絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、および絶縁体222に設けた開口に導電体745を設ける。なお、導電体745は、トランジスタ700とトランジスタ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745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。 A conductor 745 is provided in an opening provided in the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, and the insulator 222. Note that the conductor 745 functions as a plug or a wiring for electrically connecting the transistor 700 and the transistor 300. The conductor 745 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.
 特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体745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を含む層とトランジスタ700を含む層とは、酸素、水素、およ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を含む層からトランジスタ700を含む層への水素の拡散を抑制することができる。 In particular, the insulator 210 and the conductor 745 in a region in contact with the insulator 214 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water. With this structure, the layer including the transistor 300 and the layer including the transistor 700 are barrier layers against oxygen, hydrogen, and water and can be separated from the layer including the transistor 300 to the layer including the transistor 700. Diffusion of hydrogen can be suppressed.
 絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280に設けた開口に導電体740a、導電体740b、導電体740c等を設ける。導電体740aおよび導電体740cは、トランジスタ700とトランジスタ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740a、導電体740b、導電体740cの詳細な構成については後述する。 A conductor 740a, a conductor 740b, a conductor 740c, and the like are provided in openings provided in the insulator 273, the insulator 274, and the insulator 280. The conductors 740a and 740c function as plugs or wirings that electrically connect the transistor 700 and the transistor 300. Detailed configurations of the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c will be described later.
 なお、絶縁体280上に絶縁体214と同様の、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体を設けることが好ましい。例えば、当該絶縁体として、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。これにより、水素、水などの不純物が、絶縁体280より上層からトランジスタ200側に拡散することを抑制することができる。このような金属酸化物を、スパッタリング法などを用いて成膜することにより、絶縁体280に酸素を添加し、トランジスタ200およびトランジスタ700中の酸化物半導体に酸素を供給することができる。また、絶縁体280上にこのようなバリア性を有する絶縁体を設ける場合、絶縁体273および絶縁体274のいずれか一方または両方を設けない構成にしてもよい。 Note that an insulator having a barrier property against oxygen and hydrogen, which is the same as that of the insulator 214, is preferably provided over the insulator 280. For example, a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used as the insulator. Accordingly, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing from an upper layer than the insulator 280 to the transistor 200 side. By forming such a metal oxide by a sputtering method or the like, oxygen can be added to the insulator 280 and oxygen can be supplied to the oxide semiconductors in the transistor 200 and the transistor 700. In the case where an insulator having such a barrier property is provided over the insulator 280, either one or both of the insulator 273 and the insulator 274 may be omitted.
 また、絶縁体280上に、絶縁体150を設けてもよい。絶縁体150は、絶縁体280と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。 Alternatively, the insulator 150 may be provided over the insulator 280. The insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 280. Further, the insulator 150 may function as a planarization film that covers the concave and convex shapes below the insulator 150.
 また、絶縁体150に形成された開口に導電体112を設けることが好ましい。導電体112はトランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、容量素子100などの配線として機能する。また、導電体112を用いて導電体740aと導電体740cを電気的に接続することが好ましい。 Further, it is preferable to provide the conductor 112 in the opening formed in the insulator 150. The conductor 112 functions as a wiring of the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, the capacitor 100, and the like. In addition, it is preferable to electrically connect the conductors 740a and 740c using the conductor 112.
 導電体112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。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。 The conductor 112 includes a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing any of the above-described elements (a tantalum nitride film, A titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. Or indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.
 図7に示すように、導電体112は2層以上の積層構造にすればよい。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。なお、導電体112は、これに限定されず、例えば単層構造にしてもよい。 As shown in FIG. 7, the conductor 112 may have a laminated structure of two or more layers. For example, a conductor having a high barrier property and a conductor having a high barrier property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity. Note that the conductor 112 is not limited to this, and may have a single-layer structure, for example.
 ここで、トランジスタ300aのソースおよびドレインの一方は、導電体328、導電体330、導電体356、導電体745、導電体740c、導電体112、および導電体740a等を介してトランジスタ700のソースおよびドレインの一方と電気的に接続される。この一連の配線が、上記実施の形態に示す配線CLに対応する。 Here, one of a source and a drain of the transistor 300a includes the source of the transistor 700 through the conductor 328, the conductor 330, the conductor 356, the conductor 745, the conductor 740c, the conductor 112, the conductor 740a, and the like. It is electrically connected to one of the drains. This series of wirings corresponds to the wiring CL described in the above embodiment.
 図7に示すように、本実施の形態に示す半導体装置において、層20に対応する層と、層30に対応する層は、一部の配線のみで接続される。これにより、層20に対応する層と、層30に対応する層の接続部の数を大幅に削減することができる。よって、当該接続部を通じて、トランジスタ200、トランジスタ500およびトランジスタ700などに水素などの不純物が拡散することを抑制することができる。 As shown in FIG. 7, in the semiconductor device described in this embodiment, the layer corresponding to the layer 20 and the layer corresponding to the layer 30 are connected by only a part of wiring. Thereby, the number of connection portions between the layer corresponding to the layer 20 and the layer corresponding to the layer 30 can be greatly reduced. Thus, diffusion of impurities such as hydrogen into the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, and the like can be suppressed through the connection portion.
 以上のような構成にすることにより、酸化物半導体を有するトランジスタを含む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。 With the above structure, in a semiconductor device including a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved.
 本実施の形態に示す半導体装置の層30に対応する層は、トランジスタ200と、トランジスタ500と、トランジスタ700と、容量素子100と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、配線として機能する導電体203、およびプラグとして機能する導電体240aを有する。また、トランジスタ500と電気的に接続し、配線として機能する導電体503、およびプラグとして機能する導電体540a、および導電体540bを有する。また、トランジスタ700と電気的に接続し、配線として機能する導電体703、およびプラグとして機能する導電体740a、導電体740b、および導電体740cを有する。また、容量素子100と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240bとを有する。なお、以下において導電体240aおよび導電体240bをまとめて導電体240とする場合がある。なお、以下において導電体540aおよび導電体540bをまとめて導電体540とする場合がある。なお、以下において導電体740a、導電体740bおよび導電体740cをまとめて導電体740とする場合がある。ここで、導電体503および導電体703は導電体203と、導電体540および導電体740は導電体240と、同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、導電体503および導電体703は導電体203の、導電体540および導電体740は導電体240の、記載を参酌することができる。 The layers corresponding to the layer 30 of the semiconductor device described in this embodiment are the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, the capacitor 100, the insulator 210 functioning as an interlayer film, the insulator 212, and the insulator 273. , An insulator 274, and an insulator 280. In addition, the semiconductor device 200 includes a conductor 203 which is electrically connected to the transistor 200 and functions as a wiring, and a conductor 240a which functions as a plug. In addition, a conductor 503 which is electrically connected to the transistor 500 and functions as a wiring, and a conductor 540a and a conductor 540b which function as plugs are included. In addition, a conductor 703 which is electrically connected to the transistor 700 and functions as a wiring, and a conductor 740a, a conductor 740b, and a conductor 740c which function as plugs are included. In addition, the conductor 240b is electrically connected to the capacitor 100 and functions as a plug. Hereinafter, the conductor 240a and the conductor 240b may be collectively referred to as the conductor 240. Note that the conductor 540a and the conductor 540b may be collectively referred to as the conductor 540 below. Note that the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c may be collectively referred to as the conductor 740 below. Here, the conductor 503 and the conductor 703 are formed in the same layer as the conductor 203, and the conductor 540 and the conductor 740 are formed in the same layer as the conductor 240, and have the same structure. Therefore, the description of the conductor 203 can be referred to for the conductor 503 and the conductor 703, and the conductor 240 can be referred to for the conductor 540 and the conductor 740.
 なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体203の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体203の第1の導電体および導電体203の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。なお、導電体503および導電体703も導電体203と同様の構成を有する。 Note that the conductor 203 is in contact with the inner wall of the opening of the insulator 212, the first conductor of the conductor 203 is formed, and the second conductor of the conductor 203 is further formed inside. Here, the height of the upper surface of the conductor 203 and the height of the upper surface of the insulator 212 can be approximately the same. Note that although a structure in which the first conductor of the conductor 203 and the second conductor of the conductor 203 are stacked is described in this embodiment, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 203 may be provided as a single layer or a stacked structure including three or more layers. Moreover, when a structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to be distinguished. Note that the conductor 503 and the conductor 703 also have a structure similar to that of the conductor 203.
 絶縁体273は、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、および容量素子100の上に配置される。絶縁体274は絶縁体273上に配置される。絶縁体280は絶縁体274上に配置される。 The insulator 273 is disposed over the transistor 200, the transistor 500, the transistor 700, and the capacitor 100. The insulator 274 is disposed on the insulator 273. Insulator 280 is disposed on insulator 274.
 また、導電体240は、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体280の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体240が2層の積層構造であ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240は、単層、又は3層以上の積層構造でもよい。なお、導電体540および導電体740も導電体240と同様の構成を有する。 Further, the conductor 240 is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulator 273, the insulator 274, and the insulator 280. Here, the height of the upper surface of the conductor 240 and the height of the upper surface of the insulator 280 can be approximately the same. Note that although a structure in which the conductor 240 has a two-layer structure is shown in this embodiment mode, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 240 may be a single layer or a stacked structure of three or more layers. Note that the conductor 540 and the conductor 740 have a structure similar to that of the conductor 240.
 図9、図10(A)に示すように、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214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された金属酸化物252と、金属酸化物252の上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、絶縁体270上に配置された絶縁体271と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面と接して配置された絶縁体275と、酸化物230上に形成された層242と、を有する。また、層242の一方に接して導電体240aが配置される。 As illustrated in FIGS. 9 and 10A, the transistor 200 is embedded in the insulator 214 and the insulator 216 which are disposed over the substrate (not illustrated), and the insulator 214 and the insulator 216. , The insulator 216, the insulator 220 disposed on the conductor 205, the insulator 222 disposed on the insulator 220, and the insulator 222. Insulator 224, oxide 230 (oxide 230a, oxide 230b, and oxide 230c) disposed over insulator 224, insulator 250 disposed over oxide 230, and insulator 250 Metal oxide 252 disposed on top, conductor 260 (conductor 260a and conductor 260b) disposed on metal oxide 252, and insulator 270 disposed on conductor 260 Formed over the oxide 230, the insulator 271 disposed over the insulator 270, the insulator 275 disposed in contact with at least the oxide 230c, the insulator 250, the metal oxide 252, and the side surfaces of the conductor 260 Layer 242. In addition, the conductor 240a is disposed in contact with one of the layers 242.
 トランジスタ200において、層242の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層242の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体260がフロントゲートとして機能し、導電体205がバックゲートとして機能する。 In the transistor 200, one of the layers 242 functions as one of a source and a drain, the other of the layers 242 functions as the other of a source and a drain, the conductor 260 functions as a front gate, and the conductor 205 functions as a back gate. To do.
 また、図9、図10(B)に示すように、トランジスタ500は、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体505と、絶縁体216と導電体505の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222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530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、酸化物530の上に配置された絶縁体550と、絶縁体550上に配置された金属酸化物552と、金属酸化物552の上に配置された導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、導電体560の上に配置された絶縁体570と、絶縁体570上に配置された絶縁体571と、少なくとも酸化物530c、絶縁体550、金属酸化物552、および導電体560の側面と接して配置された絶縁体575と、酸化物530上に形成された層542と、を有する。また、層542の一方に接して導電体540aが配置され、層542の他方に接して導電体540bが配置される。 9 and 10B, the transistor 500 is embedded in the insulator 214 and the insulator 216 which are provided over a substrate (not shown), and the insulator 214 and the insulator 216. A conductor 505 disposed on the insulator 216, an insulator 220 disposed on the conductor 505, an insulator 222 disposed on the insulator 220, and disposed on the insulator 222. Insulator 524, oxide 530 (oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c) disposed over insulator 524, insulator 550 disposed over oxide 530, and insulation Metal oxide 552 disposed on body 550, conductor 560 (conductor 560a and conductor 560b) disposed on metal oxide 552, and insulator 5 disposed on conductor 560 0, an insulator 571 disposed over the insulator 570, an insulator 575 disposed in contact with side surfaces of at least the oxide 530c, the insulator 550, the metal oxide 552, and the conductor 560, and the oxide 530 A layer 542 formed thereon. In addition, the conductor 540a is disposed in contact with one of the layers 542, and the conductor 540b is disposed in contact with the other of the layers 542.
 トランジスタ500において、層542の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層542の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体560がフロントゲートとして機能し、導電体505がバックゲートとして機能する。 In the transistor 500, one of the layers 542 functions as one of a source and a drain, the other of the layers 542 functions as the other of a source and a drain, the conductor 560 functions as a front gate, and the conductor 505 functions as a back gate. To do.
 ここで、トランジスタ500は、トランジスタ200と同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、酸化物530は、酸化物230と同様の構成を有し、酸化物230の記載を参酌することができる。導電体505は、導電体205と同様の構成を有し、導電体205の記載を参酌することができる。絶縁体524は、絶縁体224と同様の構成を有し、絶縁体224の記載を参酌することができる。絶縁体550は、絶縁体250と同様の構成を有し、絶縁体250の記載を参酌することができる。金属酸化物552は、金属酸化物252と同様の構成を有し、金属酸化物252の記載を参酌することができる。導電体560は、導電体260と同様の構成を有し、導電体260の記載を参酌することができる。絶縁体570は、絶縁体270と同様の構成を有し、絶縁体270の記載を参酌することができる。絶縁体571は、絶縁体271と同様の構成を有し、絶縁体271の記載を参酌することができる。絶縁体575は、絶縁体275と同様の構成を有し、絶縁体275の記載を参酌することができる。以下において、特段の記載がない限り、上記のようにトランジスタ500の構成は、トランジスタ200の構成の記載を参酌することができる。 Here, the transistor 500 is formed in the same layer as the transistor 200 and has the same configuration. Therefore, the oxide 530 has a structure similar to that of the oxide 230, and the description of the oxide 230 can be referred to. The conductor 505 has a structure similar to that of the conductor 205, and the description of the conductor 205 can be referred to. The insulator 524 has a structure similar to that of the insulator 224, and the description of the insulator 224 can be referred to. The insulator 550 has a structure similar to that of the insulator 250, and the description of the insulator 250 can be referred to. The metal oxide 552 has a structure similar to that of the metal oxide 252, and the description of the metal oxide 252 can be referred to. The conductor 560 has a structure similar to that of the conductor 260, and the description of the conductor 260 can be referred to. The insulator 570 has a structure similar to that of the insulator 270, and the description of the insulator 270 can be referred to. The insulator 571 has a structure similar to that of the insulator 271, and the description of the insulator 271 can be referred to. The insulator 575 has a structure similar to that of the insulator 275, and the description of the insulator 275 can be referred to. In the following description, the description of the structure of the transistor 200 can be referred to for the structure of the transistor 500 as described above unless otherwise specified.
 また、図7、図8(A)に示すように、トランジスタ700は、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体705と、絶縁体216と導電体705の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体724と、絶縁体724の上に配置された酸化物730(酸化物730a、酸化物730b、および酸化物730c)と、酸化物730の上に配置された絶縁体750と、絶縁体750上に配置された金属酸化物752と、金属酸化物752の上に配置された導電体760(導電体760a、および導電体760b)と、導電体760の上に配置された絶縁体770と、絶縁体770上に配置された絶縁体771と、少なくとも酸化物730c、絶縁体750、金属酸化物752、および導電体760の側面と接して配置された絶縁体775と、酸化物730上に形成された層742と、を有する。また、層742の一方に接して導電体740aが配置され、層742の他方に接して導電体740bが配置される。 As illustrated in FIGS. 7 and 8A, the transistor 700 is embedded in the insulator 214 and the insulator 216 which are provided over a substrate (not illustrated), and the insulator 214 and the insulator 216. A conductor 705 disposed on the insulator 216, an insulator 220 disposed on the conductor 705, an insulator 222 disposed on the insulator 220, and disposed on the insulator 222. Insulator 724, oxide 730 disposed on insulator 724 (oxide 730a, oxide 730b, and oxide 730c), insulator 750 disposed on oxide 730, and insulation Metal oxide 752 disposed over body 750, conductor 760 (conductor 760 a and conductor 760 b) disposed over metal oxide 752, and insulator 77 disposed over conductor 760. An insulator 771 disposed over the insulator 770, at least the oxide 730c, the insulator 750, the metal oxide 752, and the insulator 775 disposed in contact with the side surfaces of the conductor 760; And a layer 742 formed on the substrate. In addition, the conductor 740a is disposed in contact with one of the layers 742, and the conductor 740b is disposed in contact with the other of the layers 742.
 トランジスタ700において、層742の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層742の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体760がフロントゲートとして機能し、導電体705がバックゲートとして機能する。 In the transistor 700, one of the layers 742 functions as one of a source and a drain, the other of the layer 742 functions as the other of the source and the drain, the conductor 760 functions as a front gate, and the conductor 705 functions as a back gate. To do.
 ここで、トランジスタ700は、トランジスタ200と同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、酸化物730は、酸化物230と同様の構成を有し、酸化物230の記載を参酌することができる。導電体705は、導電体205と同様の構成を有し、導電体205の記載を参酌することができる。絶縁体724は、絶縁体224と同様の構成を有し、絶縁体224の記載を参酌することができる。絶縁体750は、絶縁体250と同様の構成を有し、絶縁体250の記載を参酌することができる。金属酸化物752は、金属酸化物252と同様の構成を有し、金属酸化物252の記載を参酌することができる。導電体760は、導電体260と同様の構成を有し、導電体260の記載を参酌することができる。絶縁体770は、絶縁体270と同様の構成を有し、絶縁体270の記載を参酌することができる。絶縁体771は、絶縁体271と同様の構成を有し、絶縁体271の記載を参酌することができる。絶縁体775は、絶縁体275と同様の構成を有し、絶縁体275の記載を参酌することができる。以下に、おいて、特段の記載がない限り、上記のようにトランジスタ700の構成は、トランジスタ200の構成の記載を参酌することができる。 Here, the transistor 700 is formed in the same layer as the transistor 200 and has a similar structure. Therefore, the oxide 730 has a structure similar to that of the oxide 230, and the description of the oxide 230 can be referred to. The conductor 705 has a structure similar to that of the conductor 205, and the description of the conductor 205 can be referred to. The insulator 724 has a structure similar to that of the insulator 224, and the description of the insulator 224 can be referred to. The insulator 750 has a structure similar to that of the insulator 250, and the description of the insulator 250 can be referred to. The metal oxide 752 has a structure similar to that of the metal oxide 252, and the description of the metal oxide 252 can be referred to. The conductor 760 has a structure similar to that of the conductor 260, and the description of the conductor 260 can be referred to. The insulator 770 has a structure similar to that of the insulator 270, and the description of the insulator 270 can be referred to. The insulator 771 has a structure similar to that of the insulator 271, and the description of the insulator 271 can be referred to. The insulator 775 has a structure similar to that of the insulator 275, and the description of the insulator 275 can be referred to. In the following description, the description of the structure of the transistor 200 can be referred to for the structure of the transistor 700 as described above unless otherwise specified.
 なお、トランジスタ200では、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c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230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または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の酸化物530、トランジスタ700の酸化物730についても同様である。また、トランジスタ200では、導電体260aおよび導電体260b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。また、トランジスタ500の導電体560、トランジスタ700の導電体760についても同様である。 Note that although the transistor 200 has a structure in which three layers of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are stacked, the present invention is not limited to this. For example, a structure in which a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a stacked structure of four or more layers may be employed. The same applies to the oxide 530 of the transistor 500 and the oxide 730 of the transistor 700. In the transistor 200, the structure in which the conductors 260a and 260b are stacked is described; however, the present invention is not limited to this. The same applies to the conductor 560 of the transistor 500 and the conductor 760 of the transistor 700.
 容量素子100は、導電体110と、導電体110上の絶縁体130と、絶縁体130上の導電体120と、を有する。導電体120は、絶縁体130を介して、少なくとも一部が導電体110と重なるように、配置されることが好ましい。また、導電体120の上に接して導電体240bが配置される。導電体110は、トランジスタ200のソース及びドレインの一方として機能する層242と接し、且つ絶縁体570および絶縁体571の開口を介して導電体560と接する。 The capacitor element 100 includes a conductor 110, an insulator 130 on the conductor 110, and a conductor 120 on the insulator 130. The conductor 120 is preferably disposed so that at least a part thereof overlaps the conductor 110 with the insulator 130 interposed therebetween. In addition, a conductor 240b is disposed on and in contact with the conductor 120. The conductor 110 is in contact with the layer 242 functioning as one of the source and the drain of the transistor 200 and in contact with the conductor 560 through the openings of the insulator 570 and the insulator 571.
 容量素子100において、導電体110は電極の一方として機能し、導電体120は電極の他方として機能する。また、絶縁体130は容量素子100の誘電体として機能する。ここで、導電体110は、トランジスタ200のソースおよびドレインの一方、およびトランジスタ500のゲートと、接続されており、ノードN1として機能する。 In the capacitor element 100, the conductor 110 functions as one of the electrodes, and the conductor 120 functions as the other of the electrodes. Further, the insulator 130 functions as a dielectric of the capacitor 100. Here, the conductor 110 is connected to one of the source and the drain of the transistor 200 and the gate of the transistor 500, and functions as the node N1.
 図9(A)に示すように、容量素子100の一部が、トランジスタ200またはトランジスタ500と重畳するように形成される。これにより、トランジスタ200、トランジスタ500、および容量素子100の投影面積の合計を小さくし、メモリセル600の占有面積を低減することができる。よって、上記半導体装置の微細化および高集積化が容易になる。また、トランジスタ200、およびトランジスタ500を同じ工程で形成することができるので、工程を短縮し、生産性を向上させることができる。 As shown in FIG. 9A, a part of the capacitor 100 is formed so as to overlap with the transistor 200 or the transistor 500. Thus, the total projected area of the transistor 200, the transistor 500, and the capacitor 100 can be reduced, and the occupied area of the memory cell 600 can be reduced. Therefore, miniaturization and high integration of the semiconductor device are facilitated. Further, since the transistor 200 and the transistor 500 can be formed in the same process, the process can be shortened and productivity can be improved.
 なお、メモリセル600において、トランジスタ200のチャネル長方向とトランジスタ500のチャネル長方向が直交するように、トランジスタ200、トランジスタ500および容量素子100を設けているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。図1等に示すメモリセル600は、半導体装置の構成の一例であり、回路構成や駆動方法に応じて、適切な構造のトランジスタを、適宜配置すればよい。 Note that in the memory cell 600, the transistor 200, the transistor 500, and the capacitor 100 are provided so that the channel length direction of the transistor 200 and the channel length direction of the transistor 500 are orthogonal to each other; however, the semiconductor device described in this embodiment It is not limited to this. A memory cell 600 illustrated in FIGS. 1A and 1B is an example of a structure of a semiconductor device, and a transistor having an appropriate structure may be provided as appropriate depending on a circuit structure or a driving method.
 次に、トランジスタ200に用いる酸化物230に係る詳細の説明を行う。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ500の酸化物530、トランジスタ700の酸化物730についても酸化物230の記載を参酌するものとする。トランジスタ200は、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、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。 Next, details of the oxide 230 used for the transistor 200 will be described. In the following description, the oxide 230 is referred to for the oxide 530 of the transistor 500 and the oxide 730 of the transistor 700 unless otherwise specified. The transistor 200 includes a metal oxide that functions as an oxide semiconductor in an oxide 230 (an oxide 230a, an oxide 230b, and an oxide 230c) including a region where a channel is formed (hereinafter also referred to as a channel formation region). (Hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used.
 チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、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200に用いることができる。 Since the transistor 200 using an oxide semiconductor in a channel formation region has extremely small leakage current in a non-conduction state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. An oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, and thus can be used for the transistor 200 included in a highly integrated semiconductor device.
 例えば、酸化物230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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種)等の金属酸化物を用いるとよい。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。 For example, the oxide 230 includes an In-M-Zn oxide (the element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium) It is preferable to use a metal oxide such as one or a plurality selected from hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. Further, as the oxide 230, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.
 ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、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、などの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。なお、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好ましい。 Here, an oxide semiconductor forms a metal compound by adding a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, or tungsten in addition to the elements included in the oxide semiconductor, and has low resistance. Turn into. Note that aluminum, titanium, tantalum, tungsten, or the like is preferably used.
 酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜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該膜などに吸収され、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。 In order to add a metal element to an oxide semiconductor, for example, a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element is preferably provided over the oxide semiconductor. In addition, by providing the film, part of oxygen in the oxide semiconductor located at or near the interface between the film and the oxide semiconductor is absorbed by the film, and oxygen vacancies are formed. The vicinity of the interface may be reduced in resistance.
 また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、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、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、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。 Further, after a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is provided over the oxide semiconductor, heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen. By heat treatment in an atmosphere containing nitrogen, a metal element which is a component of the film is converted into an oxide semiconductor or a component of an oxide semiconductor from a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element. A certain metal element diffuses into the film, and the oxide semiconductor and the film form a metal compound, so that resistance can be reduced. The metal element added to the oxide semiconductor is in a relatively stable state by forming a metal compound with the oxide semiconductor, the metal element, and thus a highly reliable semiconductor device can be provided.
 また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、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。なお、化合物層(異層)とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、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。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。 Further, a compound layer (hereinafter also referred to as a different layer) may be formed at the interface between the metal film, the nitride film containing a metal element, or the oxide film containing a metal element and the oxide semiconductor. Note that a compound layer (different layer) is a layer having a metal compound including a metal film, a nitride film containing a metal element, or a component of an oxide film containing a metal element and a component of an oxide semiconductor. For example, a layer in which a metal element of an oxide semiconductor and an added metal element are alloyed may be formed as the compound layer. The alloyed layer is in a relatively stable state, and a highly reliable semiconductor device can be provided.
 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(水または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。 In addition, hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into a region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced, and becomes relatively stable when it enters oxygen vacancies existing in the region where the resistance is reduced. In addition, hydrogen in oxygen vacancies present in the oxide semiconductor escapes from the oxygen vacancies by heat treatment at 250 ° C. or higher, diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor, and exists in the low-resistance regions. Has been found to be relatively stable. Accordingly, a region where the resistance of the oxide semiconductor is reduced by heat treatment, or a region where the metal compound is formed is further reduced in resistance, and an oxide semiconductor which is not reduced in resistance is highly purified (impurities such as water or hydrogen). There is a tendency to increase resistance.
 また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。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。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。 In addition, in an oxide semiconductor, the carrier density increases when an impurity element such as hydrogen or nitrogen is present. In some cases, hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, thereby forming oxygen vacancies. When hydrogen enters the oxygen vacancy, the carrier density increases. In addition, part of hydrogen may combine with oxygen bonded to a metal atom to generate an electron that is a carrier. That is, the resistance of an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced.
 従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域と、を設けることができる。 Therefore, by selectively adding a metal element and an impurity element such as hydrogen and nitrogen to an oxide semiconductor, a high-resistance region and a low-resistance region can be provided in the oxide semiconductor. That is, by selectively reducing the resistance of the oxide 230, the oxide 230 processed into an island shape has a low resistance that functions as a region having a low carrier density and functioning as a source region or a drain region. A region can be provided.
 ここで、図9(B)において破線で囲む、領域239の拡大図を図12に示す。図12に示すように、領域239は、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含んでいる。 Here, an enlarged view of a region 239 surrounded by a broken line in FIG. 9B is shown in FIG. As shown in FIG. 12, the region 239 includes an oxide 230 b that is selectively reduced in resistance.
 図12に示すように、酸化物230は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。 As illustrated in FIG. 12, the oxide 230 includes a region 234 that functions as a channel formation region of a transistor, a region 231 (a region 231 a and a region 231 b) that functions as a source region or a drain region, a region 234, and a region 231. And a region 232 (region 232a and region 232b) provided between the two.
 ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231は、酸素濃度が低く、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域232は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低く、かつ、チャネル形成領域として機能する領域234よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。 The region 231 functioning as a source region or a drain region is a region having a low oxygen concentration and a low resistance. The region 234 functioning as a channel formation region is a high-resistance region having a higher oxygen concentration and a lower carrier density than the region 231 functioning as a source region or a drain region. The region 232 has a higher oxygen concentration and a lower carrier density than the region 231 functioning as a source region or a drain region, and a lower oxygen concentration and a carrier density than the region 234 functioning as a channel formation region. It is a high area.
 なお、領域231は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域232、および領域234よりも高いことが好ましい。 Note that the region 231 preferably has a higher concentration of at least one of the metal element and impurity elements such as hydrogen and nitrogen than the region 232 and the region 234.
 例えば、領域231は、酸化物230が有する金属元素の他に、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の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。 For example, the region 231 may include any one or more metal elements selected from metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, and chromium in addition to the metal element included in the oxide 230. preferable.
 領域231を形成するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属元素を有する膜を設ければよい。当該金属元素を有する膜は、領域231の形成後に、島状にパターニングして導電体110となる。なお、当該金属元素を有する膜として、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を用いることができる。その際、当該金属元素を有する膜と、酸化物230との界面に、層242が形成されていてもよい。例えば層242は、酸化物230の上面および側面に形成される場合がある。なお、層242は、当該金属元素を有する膜の成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とし、化合物層と呼ぶこともできる。例えば、層242として、酸化物230中の金属元素と、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。 In order to form the region 231, for example, a film containing a metal element may be provided in contact with the region 231 of the oxide 230. The film containing the metal element is patterned into an island shape after the region 231 is formed, so that the conductor 110 is formed. Note that as the film containing the metal element, a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element can be used. At that time, a layer 242 may be formed at the interface between the metal element-containing film and the oxide 230. For example, the layer 242 may be formed on the top and side surfaces of the oxide 230. Note that the layer 242 is a layer including a metal compound including a component of the film including the metal element and a component of the oxide 230 and can also be referred to as a compound layer. For example, as the layer 242, a layer in which the metal element in the oxide 230 and the added metal element are alloyed may be formed.
 酸化物230に、金属元素が添加されることで、酸化物230中に、金属化合物が形成され、領域231を低抵抗化することができる。なお、当該金属化合物は、必ずしも、酸化物230中に形成されていなくともよい。例えば、上記金属元素を有する膜(導電体110)に、金属化合物が形成されていてもよい。また、例えば、酸化物230の表面、導電体110の表面、または導電体110と酸化物230との界面に形成された層242に設けられていてもよい。 By adding a metal element to the oxide 230, a metal compound is formed in the oxide 230, and the resistance of the region 231 can be reduced. Note that the metal compound is not necessarily formed in the oxide 230. For example, a metal compound may be formed on the film containing the metal element (conductor 110). Further, for example, the layer 242 may be provided on the surface of the oxide 230, the surface of the conductor 110, or the interface between the conductor 110 and the oxide 230.
 従って、領域231は、層242の低抵抗化領域も含む場合がある。よって、層242の少なくとも一部がトランジスタ200のソース領域またはドレイン領域として機能する場合がある。 Therefore, the region 231 may also include the low resistance region of the layer 242. Thus, at least part of the layer 242 may function as the source region or the drain region of the transistor 200 in some cases.
 領域232は、絶縁体275と重畳する領域を有する。領域232は、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、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域234よりも高いことが好ましい。例えば、酸化物230の領域231に接して、上記金属元素を有する膜を設けることで、上記金属元素を有する膜中の成分と、酸化物半導体の成分とが、金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物230に含まれる水素を引き寄せる場合がある。従って、領域231の近傍である領域232の水素の濃度が高くなる場合がある。 The region 232 has a region overlapping with the insulator 275. The region 232 preferably has a higher concentration of at least one of a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, and chromium and an impurity element such as hydrogen and nitrogen than the region 234. For example, when the film containing the metal element is provided in contact with the region 231 of the oxide 230, the component in the film containing the metal element and the component of the oxide semiconductor may form a metal compound. . The metal compound may attract hydrogen contained in the oxide 230 in some cases. Therefore, the concentration of hydrogen in the region 232 in the vicinity of the region 231 may increase.
 なお、領域232a、および領域232bのいずれか一方または双方は、導電体260と重畳する領域を有する構成としてもよい。 Note that one or both of the region 232 a and the region 232 b may have a region overlapping with the conductor 260.
 また、図12では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は層242、酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図12では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230bの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。 In FIG. 12, the region 234, the region 231, and the region 232 are formed in the oxide 230b, but the present invention is not limited to this. For example, these regions may also be formed in the layer 242, the oxide 230a, and the oxide 230c. In FIG. 12, the boundaries of the regions are displayed substantially perpendicular to the upper surface of the oxide 230, but this embodiment is not limited to this. For example, the region 232 may protrude toward the conductor 260 near the surface of the oxide 230b and recede toward the conductor 240a or the conductor 240b near the lower surface of the oxide 230b.
 また、酸化物230において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。 In addition, in the oxide 230, it may be difficult to clearly detect the boundary of each region. The concentration of the metal element detected in each region and the impurity elements such as hydrogen and nitrogen is not limited to a stepwise change for each region, but continuously changes (also referred to as gradation) in each region. May be. That is, the closer to the channel formation region, the lower the concentration of the metal element and impurity elements such as hydrogen and nitrogen.
 酸化物230を、選択的に低抵抗化するには、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、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス元素等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。 In order to selectively reduce the resistance of the oxide 230, for example, at least one of a metal element that increases conductivity, such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, and chromium, and an impurity is added to a desired region. That's fine. Note that as the impurity, an element that forms oxygen vacancies, an element that is captured by oxygen vacancies, or the like may be used. Examples of the element include hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, and a rare gas element. Typical examples of rare gas elements include helium, neon, argon, krypton, and xenon.
 領域231は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。 The region 231 can have high carrier density and low resistance by increasing the content of the above-described metal element that increases conductivity, an element that forms oxygen vacancies, or an element that is trapped by oxygen vacancies. it can.
 領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、上記金属元素を有する膜を成膜するとよい。当該金属元素を有する膜としては、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜などを用いることができる。当該金属元素を有する膜は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けることが好ましい。なお、上記金属元素を有する膜は、10nm以上200nm以下の膜厚にするとよい。上記金属元素を有する膜は、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、上記金属元素を有する膜の成膜は、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。 In order to reduce the resistance of the region 231, for example, a film containing the above metal element may be formed in contact with the region 231 of the oxide 230. As the film including the metal element, a metal film, an oxide film including a metal element, a nitride film including a metal element, or the like can be used. The film containing the metal element is preferably provided over the oxide 230 with the insulator 250, the metal oxide 252, the conductor 260, the insulator 270, the insulator 271, and the insulator 275 interposed therebetween. Note that the film containing the metal element may have a thickness greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 200 nm. The film containing a metal element is a film containing a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or chromium. Note that the film containing the metal element can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
 酸化物230と上記金属元素を有する膜とが接することにより、当該金属元素を有する膜の成分と、酸化物230の成分とが、金属化合物を形成し、領域231となり、低抵抗化する。また、酸化物230と当該金属元素を有する膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が層242に吸収され、酸化物230に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域231を形成する場合がある。 When the oxide 230 and the film containing the metal element are in contact with each other, the component of the film containing the metal element and the component of the oxide 230 form a metal compound, which becomes a region 231 and lowers resistance. In addition, part of oxygen in the oxide 230 located near or in the vicinity of the interface between the oxide 230 and the film containing the metal element is absorbed by the layer 242, and oxygen vacancies are formed in the oxide 230. The region 231 may be formed by resistance.
 また、酸化物230と、上記金属元素を有する膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、当該金属元素を有する膜から、当該金属元素を有する膜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当該金属元素を有する膜へと、拡散し、酸化物230と、当該金属元素を有する膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。このようにして、酸化物230と当該金属元素を有する膜との間に層242が形成される。なお、その際、酸化物230の金属元素と、当該金属元素を有する膜の金属元素とが、合金化してもよい。従って、層242は合金を含む場合がある。当該合金は、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。 Further, heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen in a state where the oxide 230 is in contact with the film containing the metal element. By the heat treatment, the metal element which is a component of the film having the metal element is changed from the film having the metal element to the oxide 230, or the metal element which is a component of the oxide 230 is changed to the film having the metal element. When diffused, the oxide 230 and the film containing the metal element form a metal compound, which reduces resistance. In this manner, the layer 242 is formed between the oxide 230 and the film containing the metal element. At that time, the metal element of the oxide 230 and the metal element of the film containing the metal element may be alloyed. Thus, layer 242 may include an alloy. The alloy is in a relatively stable state and can provide a highly reliable semiconductor device.
 上記熱処理は、例えば、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、熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、熱処理は減圧状態で行ってもよい。また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。 The heat treatment may be performed at, for example, 250 ° C. or more and 650 ° C. or less, preferably 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, more preferably 320 ° C. or more and 450 ° C. or less. Note that the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Further, the heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Further, after heat treatment in a nitrogen or inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in an atmosphere containing an oxidizing gas.
 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、領域234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、領域231に拡散し、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、領域234は、高純度化(水または水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。 Further, when hydrogen in the oxide 230 diffuses into the region 231 and enters into oxygen vacancies existing in the region 231, a relatively stable state is obtained. Further, hydrogen in the oxygen vacancy existing in the region 234 escapes from the oxygen vacancy by heat treatment at 250 ° C. or higher, diffuses into the region 231, enters the oxygen vacancy existing in the region 231, and is in a relatively stable state. Become. Therefore, by the heat treatment, the region 231 has a lower resistance, and the region 234 has a higher purity (reduction of impurities such as water or hydrogen) and has a higher resistance.
 一方、酸化物230の一部の領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体275と重畳しているため、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素が、上述した上記金属元素を有する膜へ吸収されることが抑制される。 On the other hand, part of the oxide 230 (the region 234 and the region 232) overlaps with the conductor 260 and the insulator 275, so that the addition of a metal element is suppressed. Further, in the region 234 and the region 232 of the oxide 230, oxygen in the oxide 230 is suppressed from being absorbed into the above-described film containing the metal element.
 また、上記金属元素を有する膜に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232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、および領域232のキャリア密度は増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。 In addition, oxygen vacancies may be generated in the region 231 and the region 232 due to absorption of oxygen in the region 231 of the oxide 230 and the region 232 adjacent to the region 231 in the film containing the metal element. As hydrogen in the oxide 230 enters the oxygen vacancies, the carrier density in the region 231 and the region 232 increases. Accordingly, the resistance of the region 231 and the region 232 of the oxide 230 is reduced.
 ここで、上記金属元素を有する膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。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。上記金属元素を有する膜は、後に導電体110にパターニングされるので、酸化物230から吸収した水素の大部分は除去される。 Here, when the film containing the metal element has a characteristic of absorbing hydrogen, hydrogen in the oxide 230 is absorbed into the film. Therefore, hydrogen which is an impurity in the oxide 230 can be reduced. Since the film containing the metal element is later patterned into the conductor 110, most of the hydrogen absorbed from the oxide 230 is removed.
 層242を形成した後で、上記金属元素を有する膜の一部を除去して、島状の導電体110を形成する。当該金属元素を有する膜の膜厚を十分厚く、例えば10nm以上200nm以下程度にしておくことで、導電体110に十分な導電性を与えることができる。よって、導電体110も、上記金属元素を有する膜と同様に、膜厚は10nm以上200nm以下が好ましく、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ことが好ましい。また、導電体110は、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜としてもよい。 After forming the layer 242, a part of the film containing the metal element is removed to form the island-shaped conductor 110. When the thickness of the film containing the metal element is sufficiently large, for example, about 10 nm to 200 nm, sufficient conductivity can be given to the conductor 110. Therefore, similarly to the film containing the metal element, the conductor 110 preferably has a thickness of 10 nm to 200 nm, and preferably includes a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or chromium. The conductor 110 may be an oxide film containing a metal element or a nitride film containing a metal element.
 導電体110と酸化物230の間には、層242が形成される。層242は、上記金属元素を有する膜の金属元素と、酸化物230の金属元素とが、合金化している場合があり、導電体110と領域231bの間の抵抗が低減される場合がある。 A layer 242 is formed between the conductor 110 and the oxide 230. In the layer 242, the metal element of the film containing the metal element and the metal element of the oxide 230 may be alloyed in some cases, and the resistance between the conductor 110 and the region 231b may be reduced.
 図9(B)に示すように、導電体110は、絶縁体570および絶縁体571の開口を介して、トランジスタ500のゲートとして機能する導電体560に接する。このように十分な導電性を有する導電体110を用いることにより、トランジスタ200とトランジスタ500の間の導電性を良好にし、ノードN1にデータに対応する電荷を正確に保持することができる。さらに、このようにトランジスタ200とトランジスタ500を同じ層に形成し、導電体110で接続することができるので、余計なプラグを形成して、トランジスタ200とその上層または下層に形成されたトランジスタ500を接続しなくてもよい。よって、トランジスタ200及びトランジスタ500を形成する層に、形成するプラグの数を減らすことができるので、当該プラグを通じて、トランジスタ200及びトランジスタ500に水素などの不純物が拡散することを抑制することができる。 As shown in FIG. 9B, the conductor 110 is in contact with the conductor 560 functioning as the gate of the transistor 500 through the openings of the insulator 570 and the insulator 571. By using the conductor 110 having sufficient conductivity in this manner, conductivity between the transistor 200 and the transistor 500 can be improved, and a charge corresponding to data can be accurately held in the node N1. Further, since the transistor 200 and the transistor 500 can be formed in the same layer and connected by the conductor 110 in this way, an extra plug is formed, so that the transistor 200 and the transistor 500 formed in the upper layer or the lower layer can be formed. It is not necessary to connect. Accordingly, the number of plugs formed in the layer where the transistor 200 and the transistor 500 are formed can be reduced, so that diffusion of impurities such as hydrogen to the transistor 200 and the transistor 500 through the plug can be suppressed.
 上記において、領域231および領域232を形成する方法として、酸化物230の領域231に接して、金属元素を有する膜を設けて層242を形成する方法を示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230のキャリア密度を増大させ、低抵抗化させることができる元素をドーパントとして添加することによって、層242を形成してもよい。 In the above, as a method for forming the region 231 and the region 232, a method in which the layer 242 is formed by providing a film containing a metal element in contact with the region 231 of the oxide 230 has been described. It is not limited. For example, the layer 242 may be formed by adding an element capable of increasing the carrier density of the oxide 230 and reducing the resistance as a dopant.
 ドーパントとしては、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などを用いればよい。このような元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。また、希ガス元素の代表例としては、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。また、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の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を添加してもよい。上述した中でもドーパントとしては、ホウ素、及びリンが好ましい。ホウ素、リンをドーパントとして用いる場合、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。 As the dopant, an element that forms oxygen vacancies or an element that combines with oxygen vacancies may be used. As such an element, typically, boron or phosphorus can be given. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas, or the like may be used. Typical examples of rare gas elements include helium, neon, argon, krypton, and xenon. Also, metals such as aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, lanthanum, etc. Any one or more metal elements selected from the elements may be added. Among the above-described dopants, boron and phosphorus are preferable as the dopant. When boron or phosphorus is used as a dopant, equipment for an amorphous silicon or low-temperature polysilicon production line can be used, so that capital investment can be suppressed. The concentration of the element may be measured by using secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like.
 特に、層242に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることが好ましい。このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム等がある。層242に添加された当該元素は、酸化物230中の酸素を奪って酸化物を形成しうる。その結果、層242には多くの酸素欠損が生じる。当該酸素欠損と、酸化物230中の水素とが結合することでキャリアが生じ、極めて低抵抗な領域となる。さらに、層242に添加された元素は安定な酸化物の状態で層242に存在するため、その後の工程で高い温度を要する処理が行われたとしても、層242から脱離しにくい。すなわち、層242に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることで、酸化物230中に高温のプロセスを経ても高抵抗化しにくい領域を形成できる。 In particular, as an element to be added to the layer 242, an element that easily forms an oxide is preferably used. Typical examples of such elements include boron, phosphorus, aluminum, and magnesium. The element added to the layer 242 can take oxygen in the oxide 230 to form an oxide. As a result, the layer 242 has many oxygen vacancies. The oxygen deficiency and hydrogen in the oxide 230 are combined with each other, so that carriers are generated and an extremely low resistance region is obtained. Further, since the element added to the layer 242 exists in the layer 242 in a stable oxide state, it is difficult to be detached from the layer 242 even if a process requiring a high temperature is performed in a subsequent process. In other words, by using an element that easily forms an oxide as an element to be added to the layer 242, a region in the oxide 230 that is difficult to increase in resistance even after a high-temperature process can be formed.
 ドーパントの添加によって層242を形成する場合、例えば、絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275をマスクとしてドーパントを添加すればよい。これにより、酸化物230の当該マスクが重畳していない領域に、上記の元素を含む層242を形成することができる。また、絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275をマスクとする代わりに、ダミーゲートを形成してマスクとしてもよい。この場合、ドーパントの添加後に絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275を形成すればよい。 In the case where the layer 242 is formed by adding a dopant, for example, the dopant is added using the insulator 271, the insulator 270, the conductor 260, the metal oxide 252, the insulator 250, the oxide 230 c, and the insulator 275 as a mask. Good. Accordingly, the layer 242 containing the above element can be formed in a region where the mask of the oxide 230 is not overlapped. Instead of using the insulator 271, the insulator 270, the conductor 260, the metal oxide 252, the insulator 250, the oxide 230 c, and the insulator 275 as a mask, a dummy gate may be formed and used as a mask. In this case, the insulator 271, the insulator 270, the conductor 260, the metal oxide 252, the insulator 250, the oxide 230c, and the insulator 275 may be formed after the dopant is added.
 ドーパント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。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。 As a method for adding a dopant, an ion implantation method in which ionized source gas is added by mass separation, an ion doping method in which ionized source gas is added without mass separation, a plasma immersion ion implantation method, or the like is used. Can do. When mass separation is performed, the ionic species to be added and the concentration thereof can be strictly controlled. On the other hand, when mass separation is not performed, high-concentration ions can be added in a short time. Alternatively, an ion doping method in which atomic or molecular clusters are generated and ionized may be used. Note that the dopant may be referred to as an ion, a donor, an acceptor, an impurity, an element, or the like.
 また、層242に酸素欠損を形成する元素を添加して、熱処理を行うことで、チャネル形成領域として機能する領域234に含まれる水素を、層242に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。これにより、トランジスタ200に安定な電気特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。 In addition, by adding an element that forms oxygen vacancies to the layer 242 and performing heat treatment, hydrogen contained in the region 234 functioning as a channel formation region can be trapped by the oxygen vacancies contained in the layer 242 in some cases. Thus, stable electrical characteristics can be given to the transistor 200, and reliability can be improved.
 ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、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、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、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、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。 Here, in a transistor including an oxide semiconductor, if an impurity and an oxygen vacancy exist in a region where a channel is formed in the oxide semiconductor, electric characteristics may be easily changed and reliability may be deteriorated. In addition, when an oxygen vacancy is included in a region where a channel is formed in an oxide semiconductor, the transistor is likely to be normally on. Therefore, oxygen vacancies in the region 234 where a channel is formed are preferably reduced as much as possible.
 そこで、図12に示すように、絶縁体250、酸化物230bの領域232、および酸化物230cに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体275を設けることが好ましい。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。 Therefore, as shown in FIG. 12, the insulating layer 250, the region 230 of the oxide 230b, and the oxide 230c are in contact with each other and contain more oxygen (also referred to as excess oxygen) than oxygen that satisfies the stoichiometric composition. An insulator 275 is preferably provided. That is, excess oxygen in the insulator 275 is diffused into the region 234 of the oxide 230, whereby oxygen vacancies in the region 234 of the oxide 230 can be reduced.
 また、絶縁体275に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体275に接する絶縁体273として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水また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。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体273となる絶縁体の成膜時に酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(Vapor Deposition SP)(登録商標)と呼ぶことができる。 In order to provide an excess oxygen region in the insulator 275, an oxide film may be formed as the insulator 273 in contact with the insulator 275 by a sputtering method. By using a sputtering method for forming an oxide, an insulator with few impurities such as water or hydrogen can be formed. In the case of using a sputtering method, for example, it is preferable to form a film using a facing target type sputtering apparatus. Since the facing target type sputtering apparatus can form a film without exposing the film formation surface to a high electric field region between the facing targets, the film formation surface can be formed without being easily damaged by plasma. It is preferable because film formation damage to the oxide 230 can be reduced when an insulator to be the insulator 273 is formed. A film forming method using a facing target type sputtering apparatus can be referred to as VDSP (Vapor Deposition SP) (registered trademark).
 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。 During film formation by sputtering, ions and sputtered particles exist between the target and the substrate. For example, the target is connected to a power source and is supplied with the potential E0. The substrate is given a potential E1 such as a ground potential. However, the substrate may be electrically floating. In addition, there is a region having the potential E2 between the target and the substrate. The magnitude relationship between the potentials is E2> E1> E0.
 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通過し、被成膜面と接する絶縁体275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、一部のイオンは、絶縁体275内部まで到達する。イオンが絶縁体275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275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275に過剰酸素領域が形成される。 The ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, so that the sputtered particles are ejected from the target. The sputtered particles adhere to and deposit on the film formation surface to form a film. Some ions recoil by the target, pass through a film formed as recoil ions, and may be taken into the insulator 275 in contact with the deposition surface. Further, ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E1, and impact the film formation surface. At this time, some ions reach the inside of the insulator 275. When the ions are taken into the insulator 275, a region into which the ions are taken is formed in the insulator 275. That is, when the ions are oxygen-containing ions, an excess oxygen region is formed in the insulator 275.
 絶縁体275に過剰な酸素を導入することで、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体275の過剰な酸素は、酸化物230の領域234に供給され、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。 By introducing excess oxygen into the insulator 275, an excess oxygen region can be formed in the insulator 275. Excess oxygen in the insulator 275 can be supplied to the region 234 of the oxide 230 to compensate for oxygen vacancies in the oxide 230.
 なお、絶縁体275は、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用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物230は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物230上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成しにくい傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体275を、酸化物230の領域234の周辺に設けることで、酸化物230の領域234へ、絶縁体275の過剰酸素を効果的に供給することができる。 Note that the insulator 275 is preferably formed using silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having holes. Materials such as silicon oxynitride tend to form excess oxygen regions. On the other hand, compared to the above-described materials such as silicon oxynitride, the oxide 230 tends to hardly form an excess oxygen region even if an oxide film formed by a sputtering method is formed over the oxide 230. Therefore, by providing the insulator 275 having an excess oxygen region around the region 234 of the oxide 230, the excess oxygen of the insulator 275 can be effectively supplied to the region 234 of the oxide 230.
 また、絶縁体273は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物230と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物230と、酸化アルミニウムとの間に層242が設けられている場合、層242中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層242は、酸化物230中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体273と、酸化物230とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体273から酸化物230、絶縁体224、または絶縁体222に酸素を供給できる場合がある。 The insulator 273 is preferably made of aluminum oxide. Aluminum oxide may extract hydrogen in the oxide 230 by performing heat treatment in the state of being close to the oxide 230. Note that in the case where the layer 242 is provided between the oxide 230 and aluminum oxide, the hydrogen in the layer 242 is absorbed by the aluminum oxide, and the layer 242 in which hydrogen is reduced reduces the hydrogen in the oxide 230. May absorb. Therefore, the hydrogen concentration in the oxide 230 can be reduced. In addition, oxygen may be supplied from the insulator 273 to the oxide 230, the insulator 224, or the insulator 222 by performing heat treatment in a state where the insulator 273 and the oxide 230 are in proximity to each other.
 上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。 The oxide 230 can be selectively reduced in resistance by combining the above structure or the above steps.
 つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、および絶縁体275をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200のチャネル長は、導電体260の幅、または絶縁体275の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200の微細化が可能となる。 That is, when a low resistance region is formed in the oxide 230, the resistance of the oxide 230 is reduced in a self-aligning manner by using the conductor 260 functioning as a gate electrode and the insulator 275 as a mask. Therefore, when the plurality of transistors 200 are formed at the same time, variation in electrical characteristics between the transistors can be reduced. Further, the channel length of the transistor 200 is determined by the width of the conductor 260 or the film thickness of the insulator 275, and the transistor 200 can be miniaturized by setting the width of the conductor 260 to the minimum processing dimension. Become.
 以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 As described above, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics that meet the requirements according to the circuit design.
 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。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置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、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。 Further, since an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device. In addition, since a transistor using an oxide semiconductor in a channel formation region has extremely small leakage current (off-state current) in a non-conduction state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. In addition, since the off-state current of the transistor 200 is small, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 for a semiconductor device. In other words, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the semiconductor device can be sufficiently reduced.
 以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。 As described above, a semiconductor device including a transistor with high on-state current can be provided. Alternatively, a semiconductor device including a transistor with low off-state current can be provided. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.
 以下では、本実施の形態に示す半導体装置の層30に対応する層の詳細な構成について説明する。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ500、トランジスタ700の詳細な構成についてもトランジスタ200の詳細な構成の記載を参酌するものとする。 Hereinafter, a detailed configuration of a layer corresponding to the layer 30 of the semiconductor device described in this embodiment will be described. In the following description, the description of the detailed structure of the transistor 200 is also referred to for the detailed structures of the transistor 500 and the transistor 700 unless otherwise specified.
 導電体203は、図9(A)、および図10(A)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれて設けることが好ましい。 The conductor 203 is extended in the channel width direction as shown in FIGS. 9A and 10A and functions as a wiring for applying a potential to the conductor 205. Note that the conductor 203 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 212.
 導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。 The conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260. The conductor 205 is preferably provided in contact with the conductor 203. The conductor 205 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216.
 ここで、導電体260は、第1のゲート(フロントゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(バックゲートともいう。)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の閾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、トランジスタ200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205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260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。 Here, the conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a front gate) electrode. The conductor 205 may function as a second gate (also referred to as a back gate) electrode. In that case, the threshold voltage of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently of the potential applied to the conductor 260 without being linked. In particular, by applying a negative potential to the conductor 205, the threshold voltage of the transistor 200 can be made higher than 0 V and the off-state current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 205, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be made smaller than when a negative potential is not applied.
 また、導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられることで、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることができる。 Further, by providing the conductor 205 over the conductor 203, the distance between the conductor 203 having the function of the first gate electrode and the wiring and the conductor 203 can be appropriately designed. That is, by providing the insulator 214, the insulator 216, and the like between the conductor 203 and the conductor 260, parasitic capacitance between the conductor 203 and the conductor 260 can be reduced, and the conductor 203 and the conductor 260 can be reduced. The insulation breakdown voltage can be increased.
 また、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体203の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。 Further, by reducing the parasitic capacitance between the conductor 203 and the conductor 260, the switching speed of the transistor 200 can be improved and a transistor having high frequency characteristics can be obtained. Further, by increasing the withstand voltage between the conductor 203 and the conductor 260, the reliability of the transistor 200 can be improved. Therefore, it is preferable to increase the thickness of the insulator 214 and the insulator 216. Note that the extending direction of the conductor 203 is not limited thereto, and the conductor 203 may be extended in the channel length direction of the transistor 200, for example.
 なお、導電体205は、図9(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図10(A)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向の端部よりも外側の領域に延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。 Note that the conductor 205 is provided so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260 as illustrated in FIG. The conductor 205 is preferably provided larger than the region 234 in the oxide 230. In particular, as illustrated in FIG. 10A, the conductor 205 preferably extends to a region outside the end portion in the channel width direction of the region 234 of the oxide 230. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 overlap with each other through the insulator on the side surface of the oxide 230 in the channel width direction.
 上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 With the above structure, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 205, the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 205 are connected to form a channel formed in the oxide 230. The area can be covered.
 つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260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205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。 That is, the channel formation region in the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 functioning as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 functioning as the second gate electrode. . In this specification, a transistor structure that electrically surrounds a channel formation region by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.
 また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して第1の導電体が形成され、さらに内側に第2の導電体が形成されている。ここで、第1の導電体および第2の導電体の上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体205の第1の導電体および導電体205の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。 Further, the conductor 205 is formed with a first conductor in contact with the inner walls of the openings of the insulator 214 and the insulator 216, and further a second conductor is formed inside. Here, the height of the top surfaces of the first conductor and the second conductor and the height of the top surface of the insulator 216 can be approximately the same. Note that although the transistor 200 has a structure in which the first conductor of the conductor 205 and the second conductor of the conductor 205 are stacked, the present invention is not limited to this. For example, the conductor 205 may be provided as a single layer or a stacked structure including three or more layers.
 ここで、導電体205、または導電体203の第1の導電体は、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(NO、NO、NO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(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(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、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。 Here, the first conductor of the conductor 205 or the conductor 203 includes a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2, etc.), copper It is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as atoms (the impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules) (the oxygen hardly transmits). Note that in this specification, the function of suppressing diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing diffusion of any one or all of the impurities and oxygen.
 導電体205、または導電体203の第1の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205、または導電体203の第2の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。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、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体205、または導電体203の第1の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、トランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。 Since the conductor 205 or the first conductor of the conductor 203 has a function of suppressing diffusion of oxygen, the conductor 205 or the second conductor of the conductor 203 is oxidized to reduce conductivity. This can be suppressed. As a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used. Therefore, the conductive material may be a single layer or a stacked layer as the first conductor of the conductor 205 or the conductor 203. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water to the transistor 200 side through the conductor 203 and the conductor 205 can be suppressed.
 また、導電体205の第2の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205の第2の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 In addition, the second conductor of the conductor 205 is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Note that the second conductor of the conductor 205 is illustrated as a single layer, but may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
 また、導電体203の第2の導電体は、配線として機能するため、導電体205の第2の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203の第2の導電体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。 Further, since the second conductor of the conductor 203 functions as a wiring, a conductor having higher conductivity than the second conductor of the conductor 205 is preferably used. For example, a conductive material mainly containing copper or aluminum can be used. Further, the second conductor of the conductor 203 may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
 特に、導電体203に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。 In particular, it is preferable to use copper for the conductor 203. Since copper has low resistance, it is preferably used for wiring and the like. On the other hand, since copper easily diffuses, the electrical characteristics of the transistor 200 may be deteriorated by diffusing into the oxide 230. Thus, for example, the insulator 214 can be made of copper diffusion by using a material such as aluminum oxide or hafnium oxide having low copper permeability.
 なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。 Note that the conductor 205, the insulator 214, and the insulator 216 are not necessarily provided. In that case, part of the conductor 203 can function as the second gate electrode.
 絶縁体210、および絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200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。したがって、絶縁体210、および絶縁体214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(NO、NO、NO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(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(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、絶縁体280の上に、絶縁体210または絶縁体214と同様のバリア絶縁膜として機能する絶縁体を設けてもよい。これにより、絶縁体280の上から、水または水素などの不純物が、トランジスタ200に混入するのを抑制することができる。 The insulator 210 and the insulator 214 preferably function as barrier insulating films that prevent impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 200 from the substrate side. Therefore, the insulator 210 and the insulator 214 can diffuse impurities such as a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2, and the like) and a copper atom. It is preferable to use an insulating material having a function of suppressing (the above impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule) (the oxygen hardly transmits). Further, an insulator that functions as a barrier insulating film similar to the insulator 210 or the insulator 214 may be provided over the insulator 280. Accordingly, impurities such as water or hydrogen can be prevented from entering the transistor 200 from above the insulator 280.
 例えば、絶縁体210として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりも基板側からトランジスタ200側に拡散することを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。 For example, it is preferable to use aluminum oxide or the like as the insulator 210 and silicon nitride or the like as the insulator 214. Thus, impurities such as hydrogen and water can be prevented from diffusing from the substrate side to the transistor 200 side with respect to the insulator 210 and the insulator 214. Alternatively, diffusion of oxygen contained in the insulator 224 and the like to the substrate side with respect to the insulator 210 and the insulator 214 can be suppressed.
 また、導電体203の上に導電体205を積層して設ける構成にすることにより、導電体203と導電体205の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。 In addition, by providing a structure in which the conductor 205 is provided over the conductor 203, the insulator 214 can be provided between the conductor 203 and the conductor 205. Here, even when a metal that easily diffuses, such as copper, is used for the second conductor of the conductor 203, by providing silicon nitride or the like as the insulator 214, the metal diffuses into a layer above the insulator 214. Can be suppressed.
 また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280は、絶縁体210、または絶縁体214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。 Further, the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280 that function as interlayer films preferably have a lower dielectric constant than the insulator 210 or the insulator 214. By using a material having a low dielectric constant as the interlayer film, parasitic capacitance generated between the wirings can be reduced.
 例えば、絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280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、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(SrTiO)または(Ba、Sr)TiO(BST)などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 For example, as the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), titanate An insulator such as strontium (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used as a single layer or a stacked layer. Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
 絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、トランジスタ500に設けられる絶縁体524、およびトランジスタ700に設けられる絶縁体724も、絶縁体224と同様にゲート絶縁体としての機能を有する。なお、本実施の形態では、絶縁体224と、絶縁体524および絶縁体724は分離されているが、絶縁体224と、絶縁体524および絶縁体724がつながっていてもよい。 The insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 have a function as a gate insulator. In addition, the insulator 524 provided in the transistor 500 and the insulator 724 provided in the transistor 700 also function as gate insulators similarly to the insulator 224. Note that although the insulator 224 is separated from the insulator 524 and the insulator 724 in this embodiment, the insulator 224 may be connected to the insulator 524 and the insulator 724.
 ここで、酸化物230と接する絶縁体224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224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し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。 Here, the insulator 224 in contact with the oxide 230 is preferably an insulator containing more oxygen than oxygen that satisfies the stoichiometric composition. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 224. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and the reliability of the transistor 200 can be improved.
 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、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018molecules/cm以上、好ましくは1.0×1019molecules/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019molecules/cm以上、または3.0×1020molecules/cm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400℃以下の範囲が好ましい。 Specifically, an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region. The oxide that desorbs oxygen by heating means that the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen molecules is 1.0 × 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 1 in TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. The oxide film has a thickness of 0.0 × 10 19 molecules / cm 3 or more, more preferably 2.0 × 10 19 molecules / cm 3 or more, or 3.0 × 10 20 molecules / cm 3 or more. The surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.
 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(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。)ことが好ましい。 In the case where the insulator 224 has an excess oxygen region, the insulator 222 has a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of an oxygen atom and an oxygen molecule) (the oxygen is difficult to transmit). It is preferable.
 絶縁体222が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体224が有する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。 Since the insulator 222 has a function of suppressing oxygen diffusion, oxygen in the excess oxygen region included in the insulator 224 can be efficiently supplied to the oxide 230 without diffusing to the insulator 220 side. . In addition, the conductor 205 can be prevented from reacting with oxygen in the excess oxygen region of the insulator 224.
 絶縁体222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(SrTiO)または(Ba、Sr)TiO(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。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。 The insulator 222 is, for example, so-called high such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator including a -k material in a single layer or a stacked layer. As transistor miniaturization and higher integration progress, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, the gate potential during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness.
 特に、不純物、およ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およ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とよい。アルミニウムおよ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。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230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。 In particular, an insulator including one or both of oxides of aluminum and hafnium, which is an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the oxygen is difficult to permeate) may be used. As the insulator containing one or both of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. In the case where the insulator 222 is formed using such a material, the insulator 222 suppresses release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 into the oxide 230. Acts as a layer.
 または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。 Alternatively, for example, aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators. Alternatively, these insulators may be nitrided. Silicon insulator, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
 また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high−k材料の絶縁体と絶縁体220とを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。 In addition, the insulator 220 is preferably thermally stable. For example, since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a stacked structure having a high thermal stability and a high relative dielectric constant can be obtained by combining an insulator of a high-k material and the insulator 220. Can do.
 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。 Note that the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is not limited to the laminated structure which consists of the same material, The laminated structure which consists of a different material may be sufficient.
 酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。 The oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b on the oxide 230a, and an oxide 230c on the oxide 230b. By including the oxide 230a under the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b can be suppressed. Further, by including the oxide 230c over the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 230c to the oxide 230b can be suppressed.
 なお、酸化物230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230a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230b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230a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230b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230b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230a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230cは、酸化物230aまたは酸化物230b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。 Note that the oxide 230 preferably has a stacked structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M in the constituent element is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent element in the metal oxide used for the oxide 230b. It is preferable. In the metal oxide used for the oxide 230a, the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b. In the metal oxide used for the oxide 230b, the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a. As the oxide 230c, a metal oxide that can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.
 また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230b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230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。 Further, it is preferable that the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230b. In other words, the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 230b.
 ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230c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。 Here, at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c, the conduction band lower end gently changes. In other words, it can be said that the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c is continuously changed or continuously joined. In order to achieve this, the defect state density of the mixed layer formed at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c is preferably low.
 具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230c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230bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物230aおよび酸化物230c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。 Specifically, the oxide 230a and the oxide 230b, and the oxide 230b and the oxide 230c have a common element (main component) in addition to oxygen, so that a mixed layer with a low density of defect states is formed. can do. For example, in the case where the oxide 230b is an In—Ga—Zn oxide, an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a gallium oxide, or the like may be used as the oxide 230a and the oxide 230c.
 このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230c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200は高いオン電流を得られる。 At this time, the main path of the carrier is the oxide 230b. When the oxide 230a and the oxide 230c have the above structure, the density of defect states at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be reduced. Therefore, the influence on the carrier conduction due to the interface scattering is reduced, and the transistor 200 can obtain a high on-state current.
 また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体273と近接する領域を有する。また、領域232は、少なくとも、絶縁体275と重畳する領域を有する。 In addition, the oxide 230 includes a region 231, a region 232, and a region 234. Note that at least part of the region 231 has a region in proximity to the insulator 273. The region 232 has at least a region overlapping with the insulator 275.
 なお、トランジスタ200をオンさせると、領域231a、または領域231bは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域234の少なくとも一部は、チャネル形成領域として機能する。領域231と、領域234の間に領域232を有することで、トランジスタ200において、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。 Note that when the transistor 200 is turned on, the region 231a or the region 231b functions as a source region or a drain region. On the other hand, at least part of the region 234 functions as a channel formation region. By including the region 232 between the region 231 and the region 234, the transistor 200 can have a large on-state current and a small non-conducting leakage current (off-state current).
 トランジスタ200において、領域232を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第1のゲート電極(導電体260)とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。 In the transistor 200, since the region 232 is provided, a high-resistance region is not formed between the region 231 functioning as a source region and a drain region and the region 234 where a channel is formed; thus, on-state current and mobility of the transistor Can be increased. In addition, since the region 232 includes the source region, the drain region, and the first gate electrode (conductor 260) in the channel length direction, unnecessary capacitance is formed between the two. Can be suppressed. In addition, by including the region 232, leakage current at the time of non-conduction can be reduced.
 つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。例えば、トランジスタ200をオフ電流が小さくなる構成とし、トランジスタ500をオン電流が大きくなる構成にすることができる。 That is, by appropriately selecting the range of each region, it is possible to easily provide a transistor having electrical characteristics that meet the requirements according to the circuit design. For example, the transistor 200 can be configured to have low off-state current, and the transistor 500 can be configured to increase on-state current.
 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。例えば、領域234となる金属酸化物としては、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。 As the oxide 230, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. For example, as the metal oxide used for the region 234, a metal oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more is preferably used. In this manner, off-state current of a transistor can be reduced by using a metal oxide having a large band gap.
 酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、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。 Since a transistor including an oxide semiconductor has extremely small leakage current in a non-conduction state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. An oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.
 絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、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。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×1018molecules/cm以上、好ましくは1.0×1019molecules/cm以上、さらに好ましくは2.0×1019molecules/cm以上、または3.0×1020molecules/cm以上である絶縁膜である。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℃以下の範囲が好ましい。 The insulator 250 functions as a gate insulator. The insulator 250 is preferably provided in contact with the upper surface of the oxide 230c. The insulator 250 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating. For example, in the temperature-programmed desorption gas spectroscopy analysis (TDS analysis), the amount of desorbed oxygen in terms of oxygen molecules is 1.0 × 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 1.0 × 10 19. It is an insulating film having a molecular weight / cm 3 or higher, more preferably 2.0 × 10 19 molecules / cm 3 or higher, or 3.0 × 10 20 molecules / cm 3 or higher. The surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or more and 700 ° C. or less.
 絶縁体250として、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を用いることができる。特に、酸化シリコン、およ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。 Specifically, as the insulator 250, silicon oxide having excess oxygen, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added Alternatively, silicon oxide having pores can be used. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable against heat.
 絶縁体250として、加熱により酸素が放出される絶縁体を、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水また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250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。 By providing an insulator from which oxygen is released by heating in contact with the upper surface of the oxide 230c, the insulator 250 can effectively supply oxygen from the insulator 250 to the region 234 of the oxide 230b. . Similarly to the insulator 224, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is preferably reduced. The thickness of the insulator 250 is preferably greater than or equal to 1 nm and less than or equal to 20 nm.
 また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、金属酸化物252を設けてもよい。従って、金属酸化物252は、絶縁体250から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252を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230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260の酸化を抑制することができる。 Further, a metal oxide 252 may be provided in order to efficiently supply excess oxygen included in the insulator 250 to the oxide 230. Therefore, the metal oxide 252 preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 250. By providing the metal oxide 252 that suppresses oxygen diffusion, diffusion of excess oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed. In addition, oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen can be suppressed.
 なお、金属酸化物252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230として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物252として用いることができる。その場合、導電体260をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物252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。 Note that the metal oxide 252 may have a function as a part of the first gate. For example, an oxide semiconductor that can be used as the oxide 230 can be used as the metal oxide 252. In that case, by forming the conductor 260 by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide 252 can be reduced, whereby the conductor can be obtained. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
 また、金属酸化物252は、ゲート絶縁体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250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252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、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 Further, the metal oxide 252 may function as a part of the gate insulator. Therefore, in the case where silicon oxide, silicon oxynitride, or the like is used for the insulator 250, the metal oxide 252 is preferably a metal oxide that is a high-k material with a high relative dielectric constant. By setting it as the said laminated structure, it can be set as the laminated structure stable with respect to a heat | fever, and a high dielectric constant. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness. In addition, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of an insulator that functions as a gate insulator.
 トランジスタ200において、金属酸化物252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、ゲート絶縁体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。 In the transistor 200, the metal oxide 252 is illustrated as a single layer; however, a stacked structure including two or more layers may be used. For example, a metal oxide that functions as part of the gate electrode and a metal oxide that functions as part of the gate insulator may be stacked.
 金属酸化物252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260からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ200のオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁体として機能する場合は、絶縁体250と、金属酸化物252との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、導電体260と酸化物230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250、および金属酸化物252との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。 When the metal oxide 252 serves as the gate electrode, the on-state current of the transistor 200 can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Alternatively, in the case of functioning as a gate insulator, the distance between the conductor 260 and the oxide 230 is maintained by the physical thickness of the insulator 250 and the metal oxide 252, so that the conductor 260 Leakage current between the oxide 230 can be suppressed. Therefore, by providing a stacked structure of the insulator 250 and the metal oxide 252, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 are It can be easily adjusted as appropriate.
 具体的には、酸化物230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252として用いることができる。または、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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 Specifically, an oxide semiconductor that can be used for the oxide 230 can be used as the metal oxide 252 by reducing resistance. Alternatively, a metal oxide containing one kind or two or more kinds selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, and the like can be used.
 特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方また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。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、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物252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。 In particular, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulator containing one or both of aluminum and hafnium. In particular, hafnium aluminate has higher heat resistance than a hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in a heat history in a later process. Note that the metal oxide 252 is not an essential component. What is necessary is just to design suitably according to the transistor characteristic to request | require.
 第1のゲート電極として機能する導電体260は、導電体260a、および導電体260a上の導電体260bを有する。導電体260aは、導電体205の第1の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(NO、NO、NO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。または、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。 The conductor 260 functioning as the first gate electrode includes a conductor 260a and a conductor 260b over the conductor 260a. Like the first conductor of the conductor 205, the conductor 260a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2, etc.), a copper atom It is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms and oxygen molecules).
 導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250、および金属酸化物252が有する過剰酸素により、導電体260b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、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。 When the conductor 260a has a function of suppressing oxygen diffusion, it is possible to suppress the conductivity from being lowered due to oxidation of the conductor 260b due to excess oxygen included in the insulator 250 and the metal oxide 252. . As a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion, for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used.
 また、導電体260は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体260bとして、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 Further, since the conductor 260 functions as a wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, as the conductor 260b, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. The conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
 また、図10(A)に示すように、導電体205が、酸化物230のチャネル幅方向の端部よりも外側の領域に延伸している場合、導電体260は、当該領域において、絶縁体250を介して、導電体205と重畳していることが好ましい。つまり、酸化物230の側面の外側において、導電体205と、絶縁体250と、導電体260とは、積層構造を形成することが好ましい。 In addition, as illustrated in FIG. 10A, when the conductor 205 extends to a region outside the end portion of the oxide 230 in the channel width direction, the conductor 260 includes an insulator in the region. It is preferable to overlap with the conductor 205 through 250. That is, it is preferable that the conductor 205, the insulator 250, and the conductor 260 form a stacked structure outside the side surface of the oxide 230.
 上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。 With the above structure, when a potential is applied to the conductor 260 and the conductor 205, the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 205 are connected to form a channel formed in the oxide 230. The area can be covered.
 つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260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205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。 That is, the channel formation region in the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 functioning as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 functioning as the second gate electrode. .
 また、導電体260bの上に、バリア膜として機能する絶縁体270を配置してもよい。絶縁体270は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体270よりも上方から拡散する酸素で導電体260が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体270よりも上方から拡散する水または水素などの不純物が、導電体260および絶縁体250を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。 Further, an insulator 270 that functions as a barrier film may be provided over the conductor 260b. As the insulator 270, an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen is preferably used. For example, aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used. Thus, the conductor 260 can be prevented from being oxidized by oxygen diffusing from above the insulator 270. Further, impurities such as water or hydrogen diffusing from above the insulator 270 can be prevented from entering the oxide 230 through the conductor 260 and the insulator 250.
 また、絶縁体270上に、ハードマスクとして機能する絶縁体271を配置することが好ましい。絶縁体271を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260の側面と基板表面のなす角を、75度以上100度以下、好ましくは80度以上95度以下とすることができる。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体275を所望の形状に形成することができる。 Further, it is preferable to dispose an insulator 271 functioning as a hard mask over the insulator 270. By providing the insulator 271, when processing the conductor 260, the side surface of the conductor 260 is substantially vertical, specifically, the angle between the side surface of the conductor 260 and the substrate surface is 75 degrees or more and 100 degrees or less, Preferably, it can be set to 80 degrees or more and 95 degrees or less. By processing the conductor 260 into such a shape, the insulator 275 to be formed next can be formed into a desired shape.
 なお、絶縁体271に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体270は設けなくともよい。 Note that the insulator 271 may also function as a barrier film by using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 270 is not necessarily provided.
 バッファ層として機能する絶縁体275は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。 The insulator 275 functioning as a buffer layer is provided in contact with the side surface of the oxide 230 c, the side surface of the insulator 250, the side surface of the metal oxide 252, the side surface of the conductor 260, and the side surface of the insulator 270.
 例えば、絶縁体275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。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。 For example, as the insulator 275, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having a hole Or it is preferable to have resin etc. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable. In particular, silicon oxide and silicon oxide having holes are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.
 また、絶縁体275は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体275として、酸化物230c、および絶縁体250と接して設けることで、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体275中の水また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。 The insulator 275 preferably has an excess oxygen region. By providing an insulator from which oxygen is released by heating as the insulator 275 in contact with the oxide 230c and the insulator 250, oxygen is effectively supplied from the insulator 250 to the region 234 of the oxide 230b. be able to. In addition, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 275 is preferably reduced.
 絶縁体130は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましく、絶縁体222などに用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、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。また、絶縁体130は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。絶縁体130は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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)などから、2層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ALD法によって、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成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、0.5nm以上5nm以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーグ電流の小さな容量素子100とすることができる。 The insulator 130 is preferably an insulator having a large relative dielectric constant, and an insulator that can be used for the insulator 222 or the like may be used. For example, an insulator including one or both of aluminum and hafnium can be used. As the insulator containing one or both of aluminum and hafnium, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used. The insulator 130 may have a single-layer structure or a stacked structure. As the insulator 130, for example, two or more layers of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and the like are stacked. Also good. For example, it is preferable that hafnium oxide, aluminum oxide, and hafnium oxide are sequentially formed by an ALD method to form a stacked structure. The film thicknesses of hafnium oxide and aluminum oxide are 0.5 nm to 5 nm, respectively. By setting it as such a laminated structure, it can be set as the capacitive element 100 with a large capacitance value and a small league current.
 図9(A)(B)に示すように、上面視において、絶縁体130の側面は、導電体110および導電体120の側面と一致しているが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体130をパターン形成せずに、絶縁体130がトランジスタ200およびトランジスタ500を覆う構成にしてもよい。 As shown in FIGS. 9A and 9B, the side surface of the insulator 130 coincides with the side surfaces of the conductor 110 and the conductor 120 in a top view, but the present invention is not limited to this. For example, the insulator 130 may cover the transistor 200 and the transistor 500 without patterning the insulator 130.
 導電体120は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体120は積層構造としても良く、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。 The conductor 120 is preferably made of a conductive material mainly composed of tungsten, copper, or aluminum. Although not shown, the conductor 120 may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the above conductive material.
 また、図11(B)に示すように、導電体110、絶縁体130および導電体120は、酸化物230の側面まで覆っ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、酸化物230の側面方向でも容量素子100を形成することができるので、容量素子100の単位面積当たりの電気容量を大きくすることができる。 Further, as shown in FIG. 11B, the conductor 110, the insulator 130, and the conductor 120 are preferably provided so as to cover the side surface of the oxide 230. With such a structure, the capacitor 100 can be formed also in the side surface direction of the oxide 230, so that the capacitance per unit area of the capacitor 100 can be increased.
 絶縁体273は、少なくとも層242、絶縁体275、層542、絶縁体575、層742、絶縁体775、および導電体120上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体275、絶縁体575、および絶縁体775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230、酸化物530、および酸化物730中に酸素を供給することができる。また、絶縁体273を、酸化物230の層242、酸化物530の層542、および酸化物730の層742上に設けることで、酸化物230、酸化物530、および酸化物730中の水素を、絶縁体273へと引き抜くことができる。 The insulator 273 is provided over at least the layer 242, the insulator 275, the layer 542, the insulator 575, the layer 742, the insulator 775, and the conductor 120. By depositing the insulator 273 by a sputtering method, an excess oxygen region can be provided in the insulator 275, the insulator 575, and the insulator 775. Accordingly, oxygen can be supplied into the oxide 230, the oxide 530, and the oxide 730 from the excess oxygen region. Further, by providing the insulator 273 over the oxide layer 230, the oxide 530 layer 542, and the oxide 730 layer 742, hydrogen in the oxide 230, the oxide 530, and the oxide 730 can be reduced. It can be pulled out to the insulator 273.
 例えば、絶縁体273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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 273, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like is used. be able to.
 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、および窒素の拡散を抑制することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film of 0.5 nm to 3.0 nm.
 また、絶縁体273の上に、絶縁体274を設ける。絶縁体274は、バリア性を有し、水素濃度が低減された膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体274としては、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などを用いるとよい。バリア性を有する絶縁体273と、バリア性を有する絶縁体274を設けることで、層間膜など、他の構造体から不純物がトランジスタ200へ拡散することを抑制することができる。 In addition, an insulator 274 is provided over the insulator 273. The insulator 274 is preferably formed using a film having barrier properties and a reduced hydrogen concentration. For example, as the insulator 274, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, or the like may be used. By providing the insulator 273 having a barrier property and the insulator 274 having a barrier property, diffusion of impurities from other structures such as an interlayer film to the transistor 200 can be suppressed.
 また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水また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。なお、絶縁体280の上に絶縁体210と同様の絶縁体を設けてもよい。当該絶縁体をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体280の不純物を低減することができる。 Further, an insulator 280 that functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 274. As in the case of the insulator 224, the insulator 280 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film. Note that an insulator similar to the insulator 210 may be provided over the insulator 280. By forming the insulator by a sputtering method, impurities in the insulator 280 can be reduced.
 また、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に形成された開口に、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。導電体540aおよび導電体540bは、導電体560を挟んで対向して設ける。導電体740aおよび導電体740bは、導電体760を挟んで対向して設ける。なお、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cの上面は、絶縁体280の上面と、同一平面上としてもよい。 Further, the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c are inserted into openings formed in the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273. Deploy. The conductor 240a and the conductor 240b are provided to face each other with the conductor 260 interposed therebetween. The conductors 540a and 540b are provided to face each other with the conductor 560 interposed therebetween. The conductors 740a and 740b are provided to face each other with the conductor 760 interposed therebetween. Note that the top surfaces of the conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c may be flush with the top surface of the insulator 280.
 なお、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。導電体540a、導電体540b、導電体740a、および導電体740bについても同様である。 Note that a conductor 240a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273. A region 231a of the oxide 230 is located at least at a part of the bottom of the opening, and the conductor 240a is in contact with the region 231a. The same applies to the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, and the conductor 740b.
 ここで、図11(A)に示すように、導電体240aは、酸化物230の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体240aは、酸化物230のチャネル幅方向と交わる側面において、A7側の側面、およびA8側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体240aが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体240aが、ソース領域またはドレイン領域となる領域231、および酸化物230の側面と重畳する構成とすることで、導電体240aとトランジスタ200のコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体240aとトランジスタ200の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。また、酸化物230のソース領域またはドレイン領域となる領域231と接する導電体110も同様に酸化物230および層242と接することが好ましい。また、導電体540a、導電体540b、導電体740a、および導電体740bについても同様である。 Here, as illustrated in FIG. 11A, the conductor 240a preferably overlaps with a side surface of the oxide 230. In particular, the conductor 240a preferably overlaps with both or one of the side surface on the A7 side and the side surface on the A8 side on the side surface intersecting with the channel width direction of the oxide 230. Alternatively, the conductor 240a may overlap with the side surface on the A1 side (A2 side) on the side surface intersecting the channel length direction of the oxide 230. In this manner, the conductor 240a overlaps with the region 231 serving as the source region or the drain region and the side surface of the oxide 230 without increasing the projected area of the contact portion between the conductor 240a and the transistor 200. The contact area of the contact portion can be increased, and the contact resistance between the conductor 240a and the transistor 200 can be reduced. Thus, the on-current can be increased while miniaturizing the source electrode and the drain electrode of the transistor. In addition, the conductor 110 in contact with the region 231 to be the source region or the drain region of the oxide 230 is preferably in contact with the oxide 230 and the layer 242 as well. The same applies to the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, and the conductor 740b.
 導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cは積層構造としてもよい。 The conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c are preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. The conductor 240a, the conductor 240b, the conductor 540a, the conductor 540b, the conductor 740a, the conductor 740b, and the conductor 740c may have a stacked structure.
 ここで、例えば、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物230が露出する場合がある。その場合、導電体240の酸化物230と接する導電体(以下、導電体240の第1の導電体ともいう。)に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物230に酸素欠損が形成され、酸化物230の領域231が、低抵抗化する。従って、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、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、などの金属元素を含むことが好ましい。導電体540および導電体740も同様の構造にすればよい。 Here, for example, when the openings are formed in the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273, the oxide 230 has a reduced resistance region of the region 231 and is not reduced in resistance. May be exposed. In that case, a metal film, a nitride film containing a metal element, or a metal element is used as a conductor used for a conductor in contact with the oxide 230 of the conductor 240 (hereinafter also referred to as a first conductor of the conductor 240). It is preferable to use an oxide film having the same. That is, when the oxide 230 whose resistance has not been reduced is in contact with the first conductor of the conductor 240, oxygen vacancies are formed in the metal compound or the oxide 230, and the region 231 of the oxide 230 has low resistance. Turn into. Therefore, by reducing the resistance of the oxide 230 in contact with the first conductor of the conductor 240, the contact resistance between the oxide 230 and the conductor 240 can be reduced. Therefore, the first conductor of the conductor 240 preferably includes a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, or tungsten. The conductors 540 and 740 may have a similar structure.
 また、導電体240、導電体540、および導電体740を積層構造とする場合、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273と接する導電体には、導電体205の第1の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過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。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が、導電体240、導電体540、および導電体740を通じて酸化物230および酸化物530に混入するのを抑制することができる。 In the case where the conductor 240, the conductor 540, and the conductor 740 have a stacked structure, the insulator 280, the insulator 274, and the conductor in contact with the insulator 273 include the first conductor of the conductor 205, and the like. Similarly to the above, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen. For example, tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, or ruthenium oxide is preferably used. Further, the conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or a stacked layer. By using the conductive material, impurities such as hydrogen and water from an upper layer than the insulator 280 are prevented from being mixed into the oxide 230 and the oxide 530 through the conductor 240, the conductor 540, and the conductor 740. be able to.
 なお、導電体240、導電体540、および導電体740を設ける開口において、当該開口の内壁を、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体が覆っている構成にしてもよい。ここで、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体としては、絶縁体214と同様の絶縁体を用いればよく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体280などから水素、水などの不純物が、導電体240、導電体540、および導電体740を通じて酸化物230、酸化物530、および酸化物730に混入するのを抑制することができる。また、当該絶縁体は、例えばALD法またはCVD法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。 Note that an opening in which the conductor 240, the conductor 540, and the conductor 740 are provided may be configured such that an inner wall of the opening is covered with an insulator having a barrier property against oxygen or hydrogen. Here, as the insulator having a barrier property against oxygen and hydrogen, an insulator similar to the insulator 214 may be used, and for example, aluminum oxide or the like is preferably used. Accordingly, impurities such as hydrogen and water from the insulator 280 and the like are prevented from being mixed into the oxide 230, the oxide 530, and the oxide 730 through the conductor 240, the conductor 540, and the conductor 740. it can. Further, the insulator can be formed with good coverage by forming the insulator using, for example, an ALD method or a CVD method.
 また、図示しないが、導電体240、導電体540、および導電体740の上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、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。なお、当該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。 Although not shown, a conductor 240, a conductor 540, and a conductor that functions as a wiring may be disposed in contact with the top surfaces of the conductor 740. As the conductor functioning as the wiring, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component is preferably used. The conductor may have a stacked structure, for example, a stack of titanium, titanium nitride, and the conductive material. Note that like the conductor 203 and the like, the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in the insulator.
<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。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ200に用いることができる構成材料は、トランジスタ500およびトランジスタ700に用いることができるものとする。
<Constituent materials for semiconductor devices>
Hereinafter, constituent materials that can be used for the semiconductor device will be described. In the following, a material that can be used for the transistor 200 can be used for the transistor 500 and the transistor 700 unless otherwise specified.
 以下に示す構成材料の成膜は、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、または原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。 The constituent materials shown below are formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), and pulsed laser deposition (PLD). Alternatively, it can be performed by using an atomic layer deposition (ALD) method or the like.
 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。 In addition, the CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, a photo CVD (Photo CVD) method using light, and the like. . Furthermore, it can be divided into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method depending on the source gas used.
 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抑制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。 The plasma CVD method can obtain a high-quality film at a relatively low temperature. Further, the thermal CVD method is a film formation method that can suppress plasma damage to an object to be processed because plasma is not used. For example, a wiring, an electrode, an element (a transistor, a capacitor, or the like) included in the semiconductor device may be charged up by receiving electric charge from plasma. At this time, a wiring, an electrode, an element, or the like included in the semiconductor device may be destroyed by the accumulated charge. On the other hand, in the case of a thermal CVD method without using plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of semiconductor devices can be increased. In addition, in the thermal CVD method, plasma damage during film formation does not occur, so that a film with few defects can be obtained.
 また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを抑制することが可能な成膜方法である。よって、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。 The ALD method is also a film forming method that can suppress plasma damage to the object to be processed. Therefore, a film with few defects can be obtained. Note that some precursors used in the ALD method include impurities such as carbon. Therefore, a film provided by the ALD method may contain a larger amount of impurities such as carbon than a film provided by another film formation method. The quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).
 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。 The CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed, unlike a film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be processed and has good step coverage. In particular, the ALD method has excellent step coverage and excellent thickness uniformity, and thus is suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio. However, since the ALD method has a relatively low film formation rate, it may be preferable to use it in combination with another film formation method such as a CVD method with a high film formation rate.
 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を要さない分、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。 In the CVD method and the ALD method, the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the source gases. For example, in the CVD method and the ALD method, a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gases. Further, for example, in the CVD method and the ALD method, a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow rate ratio of the source gas while forming the film. When film formation is performed while changing the flow rate ratio of the source gas, compared to film formation using multiple film formation chambers, the time required for film formation is shortened by the time required for transport and pressure adjustment. can do. Therefore, the productivity of the semiconductor device may be increased.
 また、当該構成材料の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエ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。 Further, the processing of the constituent material may be performed using a lithography method. For the processing, a dry etching method or a wet etching method can be used. Processing by the dry etching method is suitable for fine processing.
 リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultra violet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。 In the lithography method, first, a resist is exposed through a mask. Next, a resist mask is formed by removing or leaving the exposed region using a developer. Next, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask. For example, the resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultra violet) light, or the like. Further, an immersion technique may be used in which exposure is performed by filling a liquid (for example, water) between the substrate and the projection lens. Further, instead of the light described above, an electron beam or an ion beam may be used. Note that when an electron beam or an ion beam is used, writing is performed directly on the resist, so that the resist exposure mask described above becomes unnecessary. Note that the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process. .
 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、当該構成材料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。当該構成材料のエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。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。当該構成材料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よい。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。 Further, a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask. In the case of using a hard mask, an insulating film or a conductive film to be a hard mask material is formed on the constituent material, a resist mask is formed thereon, and a hard mask having a desired shape is formed by etching the hard mask material. can do. Etching of the constituent material may be performed after removing the resist mask, or may be performed while leaving the resist mask. In the latter case, the resist mask may disappear during etching. The hard mask may be removed by etching after the constituent material is etched. On the other hand, when the material of the hard mask does not affect the subsequent process or can be used in the subsequent process, it is not always necessary to remove the hard mask.
 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。 As the dry etching apparatus, a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having parallel plate electrodes can be used. The capacitively coupled plasma etching apparatus having parallel plate electrodes may be configured to apply a high frequency power source to one of the parallel plate electrodes. Alternatively, a configuration in which a plurality of different high-frequency power sources are applied to one electrode of the parallel plate electrode may be employed. Or the structure which applies the high frequency power supply of the same frequency to each parallel plate type | mold electrode may be sufficient. Or the structure which applies the high frequency power source from which a frequency differs to each parallel plate type | mold electrode may be sufficient. Alternatively, a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used. As the dry etching apparatus having a high-density plasma source, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used.
<<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。
<< Insulator >>
Examples of the insulator include an insulating oxide, nitride, oxynitride, nitride oxide, metal oxide, metal oxynitride, and metal nitride oxide.
 例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high−k材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。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用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。 For example, when the transistor is miniaturized and highly integrated, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, the voltage during transistor operation can be reduced while maintaining the physical film thickness. On the other hand, a parasitic capacitance generated between wirings can be reduced by using a material having a low relative dielectric constant for the insulator functioning as an interlayer film. Therefore, the material may be selected according to the function of the insulator.
 また、比誘電率の高い絶縁体としては、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。 Insulators having a high relative dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides containing aluminum and hafnium, oxynitrides containing aluminum and hafnium, oxides containing silicon and hafnium, silicon and hafnium. There are oxynitrides having silicon and nitrides having silicon and hafnium.
 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。 Insulators having a low dielectric constant include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, Examples include silicon oxide or resin having holes.
 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。 In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable. Therefore, for example, by combining with a resin, a laminated structure having a thermally stable and low relative dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic. Further, for example, silicon oxide and silicon oxynitride can be combined with an insulator having a high relative dielectric constant to provide a thermally stable and high stacked dielectric structure.
 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。 In addition, a transistor including an oxide semiconductor can be stabilized in electrical characteristics of the transistor by being surrounded by an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen.
 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。 Examples of the insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used as a single layer or a stacked layer. Specifically, as an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, or A metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
 例えば、絶縁体273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、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。 For example, as the insulator 273, a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium, or the like is used. be able to.
 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、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。 In particular, aluminum oxide has a high barrier property and can suppress diffusion of hydrogen and nitrogen even in a thin film of 0.5 nm to 3.0 nm. Hafnium oxide has a lower barrier property than aluminum oxide, but the barrier property can be increased by increasing the film thickness. Therefore, by adjusting the film thickness of hafnium oxide, appropriate addition amounts of hydrogen and nitrogen can be adjusted.
 例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体224および絶縁体250は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する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、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。 For example, the insulator 224 and the insulator 250 that function as part of the gate insulator are preferably insulators having an excess oxygen region. For example, by using a structure in which silicon oxide or silicon oxynitride having an excess oxygen region is in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.
 また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体222において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよ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。 For example, in the insulator 222 that functions as part of the gate insulator, an insulator including one or more oxides of aluminum, hafnium, and gallium can be used. In particular, as the insulator including one or both of aluminum and hafnium, it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like.
 例えば、絶縁体220には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。 For example, for the insulator 220, it is preferable to use silicon oxide or silicon oxynitride which is stable against heat. The gate insulator has a laminated structure of a heat stable film and a film having a high relative dielectric constant, so that a thin film having an equivalent oxide thickness (EOT) of the gate insulator is maintained while maintaining a physical film thickness. Can be realized.
 上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。 With the above laminated structure, the on-current can be improved without weakening the influence of the electric field from the gate electrode. In addition, the leakage current between the gate electrode and the channel formation region can be suppressed by maintaining the distance between the gate electrode and the region where the channel is formed depending on the physical thickness of the gate insulator. .
 絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271、絶縁体275、および絶縁体280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、当該絶縁体は、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、当該絶縁体は、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。 It is preferable that the insulator 212, the insulator 216, the insulator 271, the insulator 275, and the insulator 280 include an insulator with a low relative dielectric constant. For example, the insulator includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having a hole Or it is preferable to have resin etc. Alternatively, the insulator includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having a hole And a laminated structure of resin. Since silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, a laminated structure having a low thermal stability and a low relative dielectric constant can be obtained by combining with silicon. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic.
 絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270、および絶縁体273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。絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270および絶縁体273としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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。 As the insulator 210, the insulator 214, the insulator 270, and the insulator 273, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen can be used. Examples of the insulator 210, the insulator 214, the insulator 270, and the insulator 273 include aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and tantalum oxide. Metal oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used.
<<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。
<< Conductor >>
As the conductor, a metal selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, etc. A material containing one or more elements can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.
 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。 Further, a plurality of conductive layers formed of the above materials may be stacked. For example, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing oxygen may be combined. Alternatively, a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined may be employed. Alternatively, a stacked structure of a combination of the above-described material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen may be employed.
 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。 Note that in the case where an oxide is used for a channel formation region of the transistor, the conductor functioning as the gate electrode has a stacked structure in which the above-described material containing a metal element and the conductive material containing oxygen are combined. Is preferred. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing a conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material can be easily supplied to the channel formation region.
 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。 In particular, it is preferable to use a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed as a conductor functioning as a gate electrode. Alternatively, the above-described conductive material containing a metal element and nitrogen may be used. For example, a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used. In addition, indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon were added Indium tin oxide may be used. Alternatively, indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used. By using such a material, hydrogen contained in a metal oxide in which a channel is formed can be captured in some cases. Alternatively, hydrogen mixed from an external insulator or the like may be captured.
 導電体260、導電体203、導電体205、および導電体240としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム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。 As the conductor 260, the conductor 203, the conductor 205, and the conductor 240, aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium A material containing one or more metal elements selected from zirconium, beryllium, indium, ruthenium, and the like can be used. Alternatively, a semiconductor with high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.
<<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。
<< Metal oxide >>
As the oxide 230, a metal oxide functioning as an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. Below, the metal oxide applicable to the oxide 230 which concerns on this invention is demonstrated.
 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。 The metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to these, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like is contained. One or more kinds selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be included.
 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。 Here, consider a case where the metal oxide is an In-M-Zn oxide containing indium, the element M, and zinc. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, the element M may be a combination of a plurality of the aforementioned elements.
 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。 Note that in this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may be collectively referred to as metal oxides. In addition, a metal oxide containing nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
[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。
[Composition of metal oxide]
A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS that can be used for the transistor disclosed in one embodiment of the present invention is described below.
 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。 In addition, in this specification etc., it may describe as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (Cloud-Aligned Composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or a material structure.
 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。 CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material and an insulating function in a part of the material, and the whole material has a function as a semiconductor. Note that in the case where CAC-OS or CAC-metal oxide is used for an active layer of a transistor, the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers, and the insulating function is a carrier. This function prevents electrons from flowing. A function of switching (a function of turning on / off) can be imparted to CAC-OS or CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to act complementarily. In CAC-OS or CAC-metal oxide, by separating each function, both functions can be maximized.
 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。 Further, CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region. The conductive region has the above-described conductive function, and the insulating region has the above-described insulating function. In the material, the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level. In addition, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material, respectively. In addition, the conductive region may be observed with the periphery blurred and connected in a cloud shape.
 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。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are dispersed in the material with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 0.5 nm to 3 nm, respectively. There is.
 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。 Also, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide includes a component having a wide gap caused by an insulating region and a component having a narrow gap caused by a conductive region. In the case of the configuration, when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts in a complementary manner to the component having a wide gap, and the carrier flows through the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the CAC-OS or the CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving force, that is, high on-state current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.
 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。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite material (metal matrix composite) or a metal matrix composite material (metal matrix composite).
[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。
[Structure of metal oxide]
An oxide semiconductor (metal oxide) is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single crystal oxide semiconductor. Examples of the non-single-crystal oxide semiconductor include a CAAC-OS (c-axis aligned crystal oxide semiconductor), a polycrystalline oxide semiconductor, an nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like oxide semiconductor). OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.
 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。 The CAAC-OS has a c-axis orientation and a crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction and has a strain. Note that the strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region where the lattice arrangement is aligned and a region where another lattice arrangement is aligned in a region where a plurality of nanocrystals are connected.
 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。 Nanocrystals are based on hexagons, but are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, there may be a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon in the distortion. Note that in the CAAC-OS, it is difficult to check a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Because.
 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。 In addition, the CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) and a layer including elements M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layers) are stacked. There is a tendency to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. Further, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.
 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。 CAAC-OS is a highly crystalline metal oxide. On the other hand, since it is difficult to confirm a clear crystal grain boundary in the CAAC-OS, it can be said that a decrease in electron mobility due to the crystal grain boundary hardly occurs. In addition, since the crystallinity of the metal oxide may be reduced due to entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be a metal oxide with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the physical properties of the metal oxide including a CAAC-OS are stable. Therefore, a metal oxide including a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
 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。 Nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS has no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on an analysis method.
 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。 A-like OS is a metal oxide having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. The a-like OS has a void or a low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and the CAAC-OS.
 酸化物半導体(金属酸化物)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。 Oxide semiconductors (metal oxides) have various structures and have different characteristics. The oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.
[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。
[Transistor with metal oxide]
Next, the case where the metal oxide is used for a channel formation region of a transistor will be described.
 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。 Note that a transistor with high field-effect mobility can be realized by using the metal oxide for a channel formation region of the transistor. In addition, a highly reliable transistor can be realized.
 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/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 For the transistor, a metal oxide with low carrier density is preferably used. In the case where the carrier density of the metal oxide film is lowered, the impurity concentration in the metal oxide film may be lowered and the defect level density may be lowered. In this specification and the like, a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. For example, the metal oxide has a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 −9 / What is necessary is just to be cm 3 or more.
 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。 Further, since the metal oxide film having high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic has a low defect level density, the trap level density may also be low.
 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。 Further, the charge trapped in the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including a metal oxide with a high trap state density in a channel formation region may have unstable electrical characteristics.
 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。 Therefore, to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the metal oxide. In order to reduce the impurity concentration in the metal oxide, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.
[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。
[impurities]
Here, the influence of each impurity in the metal oxide will be described.
 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(SIMSにより得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 In the metal oxide, when silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, is included, a defect level is formed in the metal oxide. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the metal oxide and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the metal oxide (concentration obtained by SIMS) are 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
 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/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 In addition, when the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level is formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
 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/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, when nitrogen is contained in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the n-type is easily obtained. As a result, a transistor in which a metal oxide containing nitrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. Therefore, in the metal oxide, nitrogen in the channel formation region is preferably reduced as much as possible. For example, the nitrogen concentration in the metal oxide is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less in SIMS, Preferably, it is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
 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。当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。したがって、水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。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/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 In addition, hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons serving as carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing hydrogen is used for a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the metal oxide is reduced as much as possible. Specifically, in the metal oxide, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .
 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。 Stable electrical characteristics can be imparted by using a metal oxide in which impurities are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor.
<半導体装置の変形例>
 以下では、図13乃至図19を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置の一例について説明する。
<Modification of semiconductor device>
An example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
 図13、図14、および図15に示す半導体装置は、トランジスタ200において、絶縁体275ではなく絶縁体272が設けられている点において、図9乃至図12に示す半導体装置と異なる。なお、その他の構成の記載については、図9乃至図12に示す半導体装置に係る記載を参酌することができる。また、トランジスタ500も同様に絶縁体575ではなく、絶縁体572が設けられている。また、図示しないが、トランジスタ700も同様に絶縁体775の代わりに絶縁体572相当の絶縁体が設けられている。以下、絶縁体572および当該絶縁体572相当の絶縁体は、絶縁体272の記載を参酌することができる。 13, 14, and 15 are different from the semiconductor device illustrated in FIGS. 9 to 12 in that the transistor 200 is provided with an insulator 272 instead of the insulator 275. Note that the description of the semiconductor device illustrated in FIGS. 9 to 12 can be referred to for description of other structures. Similarly, the transistor 500 is provided with an insulator 572 instead of the insulator 575. Although not illustrated, the transistor 700 is similarly provided with an insulator equivalent to the insulator 572 instead of the insulator 775. Hereinafter, the description of the insulator 272 can be referred to for the insulator 572 and the insulator corresponding to the insulator 572.
 図13(A)は、メモリセル600を有する半導体装置の上面図である。また、図13(B)、図14(A)、図14(B)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図13(B)は、図13(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図14(A)は、図13(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図14(B)は、図13(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ500のチャネル長方向の断面図でもある。なお、図13(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。また、図13(A)のA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面は、図11(A)に示す構造と同じである。また、図13(A)のA9−A10の一点鎖線で示す部位の断面は、図11(B)に示す構造と同じである。また図13(B)において破線で囲む、領域239の拡大図を図15に示す。 FIG. 13A is a top view of a semiconductor device having a memory cell 600. FIG. FIGS. 13B, 14A, and 14B are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 13B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 13A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200 and in the channel width direction of the transistor 500. . FIG. 14A is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A3-A4 in FIG. 13A and is a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A5-A6 in FIG. 13A and also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 500. Note that in the top view of FIG. 13A, some elements are omitted for clarity. Further, the cross section of the portion indicated by the dashed-dotted line A7-A8 in FIG. 13A is the same as the structure illustrated in FIG. Further, the cross section of the portion indicated by the single-dot chain line in FIG. 13A is the same as the structure shown in FIG. FIG. 15 shows an enlarged view of a region 239 surrounded by a broken line in FIG.
 絶縁体272は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。ここで、絶縁体272は、バッファ層としての機能を有する。なお、絶縁体272は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いてもよい。その場合、絶縁体272はバリア層としての機能も有する。 The insulator 272 is provided in contact with the side surface of the oxide 230 c, the side surface of the insulator 250, the side surface of the metal oxide 252, the side surface of the conductor 260, and the side surface of the insulator 270. Here, the insulator 272 functions as a buffer layer. Note that the insulator 272 may be formed using an insulating material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. In that case, the insulator 272 also has a function as a barrier layer.
 例えば、絶縁体272として、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。絶縁体272は、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体272として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体272の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。 For example, the insulator 272 is preferably formed using an ALD method. By using the ALD method, a dense thin film can be formed. For the insulator 272, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, or the like is preferably used. In the case where aluminum oxide is provided using the ALD method as the insulator 272, the thickness of the insulator 272 is preferably greater than or equal to 0.5 nm and less than or equal to 3.0 nm.
 絶縁体272を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面を覆うことができる。従って、絶縁体250、および金属酸化物252の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。そのため、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。つまり、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。 By providing the insulator 272, side surfaces of the insulator 250, the metal oxide 252, and the conductor 260 can be covered with an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen and oxygen. Therefore, entry of impurities such as hydrogen and water into the oxide 230 from the insulator 250, the end portions of the metal oxide 252, and the like can be suppressed. Therefore, formation of oxygen vacancies at the interface between the oxide 230 and the insulator 250 is suppressed, and the reliability of the transistor 200 can be improved. That is, the insulator 272 functions as a side barrier that protects the side surfaces of the gate electrode and the gate insulator.
 図16、および図17に示す半導体装置は、トランジスタ200およびトランジスタ500の上に絶縁体135が設けられ、導電体120aによって、トランジスタ200とトランジスタ500が接続されている点において、図9乃至図12に示す半導体装置と異なる。なお、その他の構成の記載については、図9乃至図12に示す半導体装置に係る記載を参酌することができる。 16 and FIG. 17 includes an insulator 135 provided over the transistor 200 and the transistor 500, and the transistor 200 and the transistor 500 are connected to each other by a conductor 120a. Different from the semiconductor device shown in FIG. Note that the description of the semiconductor device illustrated in FIGS. 9 to 12 can be referred to for description of other structures.
 図16(A)は、メモリセル600を有する半導体装置の上面図である。また、図16(B)、図17は当該半導体装置の断面図である。ここで、図16(B)は、図16(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図17は、図16(A)にA9−A10の一点鎖線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。また、図16(A)の、A3−A4、A5−A6、およびA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面は、図10、図11(A)に示す構造とほぼ同じなので省略する。 FIG. 16A is a top view of a semiconductor device having a memory cell 600. FIG. FIGS. 16B and 17 are cross-sectional views of the semiconductor device. Here, FIG. 16B is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line A1-A2 in FIG. 16A and is a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200 and in the channel width direction of the transistor 500. . FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line A9-A10 in FIG. Note that in the top view of FIG. 16A, some elements are omitted for clarity. 16A is substantially the same as the structure shown in FIGS. 10 and 11A because the cross-section of the portion indicated by the alternate long and short dashed lines in A3-A4, A5-A6, and A7-A8 in FIG.
 酸化物230の低抵抗化のために酸化物230に接して成膜された、金属元素を有する膜は、酸化物230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。上記金属元素を有する膜を、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。当該絶縁体を絶縁体135とする。すなわち、絶縁体135は上記金属元素を有する膜と同じ金属元素を有する。 A film containing a metal element which is formed in contact with the oxide 230 to reduce the resistance of the oxide 230 is oxidized by oxygen absorbed from the oxide 230 to be an insulator, which may increase resistance. is there. By leaving the film containing the metal element as an insulator, the film can function as an interlayer film. The insulator is referred to as an insulator 135. That is, the insulator 135 includes the same metal element as the film including the metal element.
 絶縁体135を形成する場合、上記金属元素を有する膜は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、上記金属元素を有する膜は、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。 In the case where the insulator 135 is formed, the film containing the metal element is provided with a thickness that can be insulated in a later step. For example, the film containing the metal element is provided with a thickness of 0.5 nm to 5 nm, preferably 1 nm to 2 nm.
 また、絶縁体135を形成する場合、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに、酸化性雰囲気下で熱処理を行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物230中の酸素が上記金属元素を有する膜に拡散しやすくなる。 In the case of forming the insulator 135, it is preferable that the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere after the heat treatment is performed once in an atmosphere containing nitrogen. By performing heat treatment once in an atmosphere containing nitrogen, oxygen in the oxide 230 is easily diffused into the film containing the metal element.
 絶縁体135を形成する場合、図16および図17に示すように、トランジスタ200において、絶縁体135は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けられる。絶縁体135と酸化物230の間に層242が形成される場合がある。これは、トランジスタ500、トランジスタ700についても同様である。 When the insulator 135 is formed, as illustrated in FIGS. 16 and 17, in the transistor 200, the insulator 135 includes at least the insulator 250, the metal oxide 252, the conductor 260, the insulator 270, the insulator 271, And the insulator 275 through the insulator 275. A layer 242 may be formed between the insulator 135 and the oxide 230. The same applies to the transistor 500 and the transistor 700.
 図16および図17に示すメモリセル600では、図9乃至図12に示すメモリセル600とは異なり、トランジスタ200およびトランジスタ500のコンタクト部と、容量素子100が重ならない。 In the memory cell 600 shown in FIGS. 16 and 17, unlike the memory cell 600 shown in FIGS. 9 to 12, the contact portions of the transistors 200 and 500 and the capacitor element 100 do not overlap.
 トランジスタ200およびトランジスタ500のコンタクト部は、酸化物230の領域231b上の絶縁体135および絶縁体130aに形成された開口と、導電体560上の絶縁体135、絶縁体130a、絶縁体570、および絶縁体571に形成された開口を介して、導電体120aがトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ500のゲートを電気的に接続する。ここで、導電体120aは導電体120と、絶縁体130aは絶縁体130と同様の構造を有する。 The contact portions of the transistor 200 and the transistor 500 include openings formed in the insulator 135 and the insulator 130a over the region 231b of the oxide 230, the insulator 135 over the conductor 560, the insulator 130a, the insulator 570, and Through the opening formed in the insulator 571, the conductor 120a electrically connects one of the source and the drain of the transistor 200 to the gate of the transistor 500. Here, the conductor 120 a has the same structure as the conductor 120, and the insulator 130 a has the same structure as the insulator 130.
 容量素子100は、層242(酸化物230の領域231b)と、層242上の絶縁体135と、絶縁体135上の絶縁体130bと、絶縁体130b上の導電体120bと、を有する。さらに、絶縁体130bの上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように、導電体120bが配置されることが好ましい。また、導電体120bの上に接して導電体240cが配置されることが好ましい。ここで、導電体120bは導電体120と、絶縁体130bは絶縁体130と、導電体240cは導電体240bと同様の構造を有する。 The capacitor 100 includes the layer 242 (the region 231b of the oxide 230), the insulator 135 over the layer 242, the insulator 130b over the insulator 135, and the conductor 120b over the insulator 130b. Furthermore, it is preferable that the conductor 120b be disposed over the insulator 130b so that at least a part thereof overlaps with the region 231b of the oxide 230. In addition, the conductor 240c is preferably disposed in contact with the conductor 120b. Here, the conductor 120b has the same structure as the conductor 120, the insulator 130b has the same structure as the insulator 130, and the conductor 240c has the same structure as the conductor 240b.
 酸化物230の領域231bは、容量素子100の電極の一方として機能し、導電体120bは容量素子100の電極の他方として機能する。絶縁体130bおよび絶縁体135は容量素子100の誘電体として機能する。酸化物230の領域231bは低抵抗化されており、導電性酸化物である。従って、容量素子100の電極の一方として機能することができる。 The region 231 b of the oxide 230 functions as one of the electrodes of the capacitor 100, and the conductor 120 b functions as the other of the electrodes of the capacitor 100. The insulator 130b and the insulator 135 function as a dielectric of the capacitor 100. The region 231b of the oxide 230 has a reduced resistance and is a conductive oxide. Therefore, it can function as one of the electrodes of the capacitor 100.
 また、上記実施の形態において、図2(C)に示すように2つのメモリセルを隣接して配置する場合、図18に示すように、2つのメモリセル600(メモリセル600a、メモリセル600b)を配置してもよい。メモリセル600aは、トランジスタ200a、トランジスタ500a、および容量素子100aを有する。また、メモリセル600bは、トランジスタ200b、トランジスタ500b、および容量素子100bを有する。 In the above embodiment, when two memory cells are arranged adjacent to each other as shown in FIG. 2C, two memory cells 600 (memory cell 600a and memory cell 600b) are arranged as shown in FIG. May be arranged. The memory cell 600a includes a transistor 200a, a transistor 500a, and a capacitor 100a. The memory cell 600b includes a transistor 200b, a transistor 500b, and a capacitor 100b.
 ここで、図18に示すメモリセル600aおよびメモリセル600bに含まれる、導電体260_aおよび導電体260_bは導電体260に対応し、絶縁体275_aおよび絶縁体275_bは絶縁体275に対応し、導電体203_aおよび導電体203_bは導電体203に対応し、導電体110_aおよび導電体110_bは導電体110に対応し、導電体120_aおよび導電体120_bは導電体120に対応し、導電体540a_aおよび導電体540a_bは導電体540aに対応し、導電体540b_aおよび導電体540b_bは導電体540bに対応する。 Here, the conductor 260_a and the conductor 260_b included in the memory cell 600a and the memory cell 600b illustrated in FIG. 18 correspond to the conductor 260, the insulator 275_a and the insulator 275_b correspond to the insulator 275, and the conductor 203_a and the conductor 203_b correspond to the conductor 203, the conductor 110_a and the conductor 110_b correspond to the conductor 110, the conductor 120_a and the conductor 120_b correspond to the conductor 120, and the conductor 540a_a and the conductor 540a_b. Corresponds to the conductor 540a, and the conductor 540b_a and the conductor 540b_b correspond to the conductor 540b.
 トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、いずれも導電体240と電気的に接続している。また、導電体240の上に設けられた導電体112は、導電体240と接続している。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、メモリセルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。なお、導電体540a_a、導電体540a_b、導電体540b_a、および導電体540b_bのいずれか一または複数の上に、導電体112と平行に延伸される導電体を設けてもよい。 One of the source and drain of the transistor 200a and one of the source and drain of the transistor 200b are both electrically connected to the conductor 240. Further, the conductor 112 provided on the conductor 240 is connected to the conductor 240. As described above, by sharing the wiring electrically connected to one of the source and the drain, the area occupied by the memory cell array can be further reduced. Note that a conductor that extends in parallel with the conductor 112 may be provided over any one or more of the conductors 540a_a, 540a_b, 540b_a, and 540b_b.
 また、図18に示すように、トランジスタ200aのゲートの側面に絶縁体275_aを、トランジスタ200bのゲートの側面に絶縁体275_bを、設けておくことにより、共通する導電体240をトランジスタ200aおよびトランジスタ200bのゲートと短絡させずに、自己整合的に形成することができる。ここで、導電体240は、絶縁体275_aおよび絶縁体275_bの側面のいずれか一方または両方と接する領域を有することが好ましい。 As shown in FIG. 18, an insulator 275_a is provided on the side surface of the gate of the transistor 200a and an insulator 275_b is provided on the side surface of the gate of the transistor 200b, whereby the common conductor 240 is replaced with the transistor 200a and the transistor 200b. It can be formed in a self-aligned manner without being short-circuited with the gate. Here, the conductor 240 preferably has a region in contact with one or both of the side surfaces of the insulator 275_a and the insulator 275_b.
 導電体240を埋め込む開口を形成するには、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273の開口形成時に、絶縁体275のエッチング速度が、絶縁体273のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体275のエッチング速度を1とすると、絶縁体273のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。ここで、絶縁体275として用いる絶縁性材料は、上記のエッチング速度を満たすように、エッチング条件および絶縁体273として用いる絶縁性材料に合わせて適宜選択することが好ましい。例えば、絶縁体275として用いる絶縁性材料として、上記の絶縁性材料だけでなく、絶縁体270に用いることができる絶縁性材料を用いてもよい。 In order to form an opening for embedding the conductor 240, the opening condition of the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 273 is such that the etching rate of the insulator 275 is significantly lower than the etching rate of the insulator 273. It is preferable to do. When the etching rate of the insulator 275 is 1, the etching rate of the insulator 273 is preferably 5 or more, more preferably 10 or more. Here, the insulating material used as the insulator 275 is preferably selected as appropriate in accordance with the etching conditions and the insulating material used as the insulator 273 so as to satisfy the above etching rate. For example, as the insulating material used as the insulator 275, an insulating material that can be used for the insulator 270 as well as the above insulating material may be used.
 このように導電体240を埋め込む開口を形成することで、当該開口の形成時に絶縁体275_aおよび絶縁体275_bがエッチングストッパーとして機能するので、当該開口が導電体260_a及び導電体260_bに達することを防ぐことができる。よって、導電体240、およびそれを埋め込む開口を、自己整合的に形成することができる。例えば、導電体240を形成する開口がA1側またはA2側にずれて形成されても、導電体240と導電体260_aまたは導電体260_bは接触しない。また、導電体240を形成する開口のトランジスタ200のチャネル長方向の幅を、絶縁体275_aと絶縁体275_bの距離より大きくすることで、当該開口の位置がずれて形成されても導電体240は層242と十分なコンタクトを取ることができる。 By forming the opening for embedding the conductor 240 in this manner, the insulator 275_a and the insulator 275_b function as an etching stopper when the opening is formed, and thus the opening is prevented from reaching the conductor 260_a and the conductor 260_b. be able to. Therefore, the conductor 240 and the opening in which the conductor 240 is embedded can be formed in a self-aligning manner. For example, even when the opening for forming the conductor 240 is formed to be shifted to the A1 side or the A2 side, the conductor 240 and the conductor 260_a or the conductor 260_b do not contact each other. In addition, the width of the opening in which the conductor 240 is formed in the channel length direction of the transistor 200 is larger than the distance between the insulator 275_a and the insulator 275_b, so that the conductor 240 is formed even when the opening is displaced. Good contact can be made with layer 242.
 よって、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bのコンタクト部と、トランジスタ200aのゲートと、トランジスタ200bのゲートと、の位置合わせのマージンを広くすることができ、これらの構成の間隔を小さく設計することができる。以上のようにして、上記半導体装置の微細化および高集積化を図ることができる。 Therefore, the alignment margin between the contact portions of the transistors 200a and 200b, the gate of the transistor 200a, and the gate of the transistor 200b can be widened, and the interval between these components can be designed to be small. As described above, miniaturization and high integration of the semiconductor device can be achieved.
 また、図18に示すように、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの導電体240bに対応する導電体は必ずしも設けなくてもよい。例えば、図18に示すように、導電体120_aおよび導電体120_bを延伸させて配線としても機能させる場合は、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの導電体240bを設けなくてもよい。また、導電体120_aおよび導電体120_bと同様に、導電体260_a、導電体260_b、導電体203_a、および導電体203_bも配線として機能させてよく、その場合、トランジスタ200aまたはトランジスタ200bのチャネル幅方向に延伸して設けてもよい。なお、図18では、配線として機能する導電体120_a、導電体120_b、導電体203_a、および導電体203_bを導電体260_aおよび導電体260_bと同じ方向に延伸させているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではなく、メモリセルアレイの回路配置や駆動方法に合わせて適宜配置すればよい。 As shown in FIG. 18, a conductor corresponding to the conductor 240b of the transistor 200a and the transistor 200b is not necessarily provided. For example, as illustrated in FIG. 18, when the conductors 120_a and 120_b are extended to function as wirings, the conductors 240b of the transistors 200a and 200b are not necessarily provided. Similarly to the conductor 120_a and the conductor 120_b, the conductor 260_a, the conductor 260_b, the conductor 203_a, and the conductor 203_b may function as wirings, and in that case, in the channel width direction of the transistor 200a or the transistor 200b You may provide by extending | stretching. Note that in FIG. 18, the conductor 120_a, the conductor 120_b, the conductor 203_a, and the conductor 203_b that function as wirings are extended in the same direction as the conductor 260_a and the conductor 260_b; The semiconductor device is not limited to this, and may be appropriately arranged in accordance with the circuit arrangement of the memory cell array and the driving method.
 図18に示すメモリセル600aおよびメモリセル600bは、配線として機能する導電体260_aおよび導電体260_bと、配線として機能する導電体112とが直交するように設ける構成とすることができる。 The memory cell 600a and the memory cell 600b illustrated in FIG. 18 can have a structure in which the conductor 260_a and the conductor 260_b functioning as wirings and the conductor 112 functioning as a wiring are orthogonal to each other.
 また、上記実施の形態において、図3に示すように、メモリセル600を含む層を複数積層して配置する場合、図19に示すように、トランジスタ300a乃至トランジスタ300cを含む層310の上に、トランジスタ700およびメモリセル600を含む層610を積層して配置してもよい。図19では、層610を第1層から第N層まで積層している。ここで、トランジスタ300aのソースおよびドレインの一方は、配線CLとして機能する導電体を介して、各層610のトランジスタ700のソースおよびドレインの一方と電気的に接続されることが好ましい。図19に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。 In the above embodiment, when a plurality of layers including the memory cell 600 are stacked as illustrated in FIG. 3, as illustrated in FIG. 19, the layer 310 including the transistors 300 a to 300 c is formed on the layer 310. A layer 610 including the transistor 700 and the memory cell 600 may be stacked. In FIG. 19, the layer 610 is laminated | stacked from the 1st layer to the Nth layer. Here, one of the source and the drain of the transistor 300a is preferably electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 700 in each layer 610 through a conductor functioning as the wiring CL. As shown in FIG. 19, by stacking a plurality of cell arrays, the cells can be integrated and arranged without increasing the exclusive area of the cell array. That is, a 3D cell array can be configured.
 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できる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。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できる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low off-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly reliable semiconductor device can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that can be miniaturized or highly integrated can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with reduced power consumption can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a highly productive semiconductor device can be provided.
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment mode can be combined with any of the other embodiment modes as appropriate.
(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が搭載された電子機器の例について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, examples of electronic devices each including the semiconductor device described in any of the above embodiments will be described.
 図20(A)に示すロボット2100は、演算装置2110、照度センサ2101、マイクロフォン2102、上部カメラ2103、スピーカ2104、ディスプレイ2105、下部カメラ2106、障害物センサ2107、および移動機構2108を備える。 20A includes a computing device 2110, an illuminance sensor 2101, a microphone 2102, an upper camera 2103, a speaker 2104, a display 2105, a lower camera 2106, an obstacle sensor 2107, and a moving mechanism 2108.
 ロボット2100において、演算装置2110、照度センサ2101、上部カメラ2103、下部カメラ2106および障害物センサ2107等に、上記半導体装置を使用することができる。 In the robot 2100, the semiconductor device can be used for the arithmetic device 2110, the illuminance sensor 2101, the upper camera 2103, the lower camera 2106, the obstacle sensor 2107, and the like.
 マイクロフォン2102は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ2104は、音声を発する機能を有する。ロボット2100は、マイクロフォン2102およびスピーカ2104を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。 The microphone 2102 has a function of detecting a user's speaking voice and environmental sound. The speaker 2104 has a function of emitting sound. The robot 2100 can communicate with the user using the microphone 2102 and the speaker 2104.
 ディスプレイ2105は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット2100は、使用者の望みの情報をディスプレイ2105に表示することが可能である。ディスプレイ2105は、タッチパネルを搭載していてもよい。 The display 2105 has a function of displaying various information. The robot 2100 can display information desired by the user on the display 2105. The display 2105 may be equipped with a touch panel.
 上部カメラ2103および下部カメラ2106は、ロボット2100の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ2107は、移動機構2108を用いてロボット2100が前進する際の進行方向における障害物の有無を察知することができる。ロボット2100は、上部カメラ2103、下部カメラ2106および障害物センサ2107を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。 The upper camera 2103 and the lower camera 2106 have a function of imaging the surroundings of the robot 2100. The obstacle sensor 2107 can detect the presence or absence of an obstacle in the traveling direction when the robot 2100 moves forward using the moving mechanism 2108. The robot 2100 can recognize the surrounding environment using the upper camera 2103, the lower camera 2106, and the obstacle sensor 2107, and can move safely.
 図20(B)に示す飛行体2120は、演算装置2121と、プロペラ2123と、カメラ2122と、を有し、自立して飛行する機能を有する。 A flying object 2120 shown in FIG. 20B includes a calculation device 2121, a propeller 2123, and a camera 2122, and has a function of flying independently.
 飛行体2120において、演算装置2121およびカメラ2122に上記半導体装置を用いることができる。 In the flying object 2120, the semiconductor device can be used for the arithmetic device 2121 and the camera 2122.
 図20(C)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、カメラ2981等を有する。また、自動車2980は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車2980は、カメラ2981が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。 FIG. 20C is an external view showing an example of an automobile. The automobile 2980 has a camera 2981 and the like. The automobile 2980 includes various sensors such as an infrared radar, a millimeter wave radar, and a laser radar. The automobile 2980 can analyze an image taken by the camera 2981, determine surrounding traffic conditions such as the presence or absence of a pedestrian, and perform automatic driving.
 自動車2980において、カメラ2981に上記半導体装置を用いることができる。 In the automobile 2980, the above semiconductor device can be used for the camera 2981.
 図20(D)に、互いに別々の言語で話す複数の人間のコミュニケーションにおいて、携帯電子機器2130に同時通訳を行わせる状況を示す。 FIG. 20D shows a situation in which the portable electronic device 2130 performs simultaneous interpretation in communication between a plurality of people who speak in different languages.
 携帯電子機器2130は、マイクロフォンおよびスピーカ等を有し、使用者の話し声を認識してそれを話し相手の話す言語に翻訳する機能を有する。携帯電子機器2130の演算装置に、上記半導体装置を使用することができる。 The portable electronic device 2130 includes a microphone, a speaker, and the like, and has a function of recognizing a user's speaking voice and translating it into a language spoken by the other party. The semiconductor device can be used for the arithmetic device of the portable electronic device 2130.
 また、図20(D)において、使用者は携帯型マイクロフォン2131を有する。携帯型マイクロフォン2131は、無線通信機能を有し、検知した音声を携帯電子機器2130に送信する機能を有する。 In FIG. 20D, the user has a portable microphone 2131. The portable microphone 2131 has a wireless communication function and a function of transmitting detected sound to the portable electronic device 2130.
 図21(A)は、ペースメーカの一例を示す断面模式図である。 FIG. 21 (A) is a schematic cross-sectional view showing an example of a pacemaker.
 ペースメーカ本体5300は、バッテリー5301a、5301bと、レギュレータと、制御回路と、アンテナ5304と、右心房へのワイヤ5302、右心室へのワイヤ5303とを少なくとも有している。 The pacemaker body 5300 includes at least batteries 5301a and 5301b, a regulator, a control circuit, an antenna 5304, a wire 5302 to the right atrium, and a wire 5303 to the right ventricle.
 ペースメーカ本体5300に上記半導体装置を用いることができる。 The semiconductor device can be used for the pacemaker body 5300.
 ペースメーカ本体5300は手術により体内に設置され、二本のワイヤは、人体の鎖骨下静脈5305及び上大静脈5306を通過させて一方のワイヤ先端が右心室、もう一方のワイヤ先端が右心房に設置されるようにする。 The pacemaker body 5300 is placed in the body by surgery, and two wires pass through the human subclavian vein 5305 and superior vena cava 5306, one wire tip is placed in the right ventricle and the other wire tip is placed in the right atrium. To be.
 また、アンテナ5304で電力が受信でき、その電力は複数のバッテリー5301a、5301bに充電され、ペースメーカの交換頻度を少なくすることができる。ペースメーカ本体5300は複数のバッテリーを有しているため、安全性が高く、一方が故障したとしてももう一方が機能させることができるため、補助電源としても機能する。 Further, power can be received by the antenna 5304, and the power is charged in a plurality of batteries 5301a and 5301b, so that the pacemaker replacement frequency can be reduced. Since the pacemaker body 5300 has a plurality of batteries, it is highly safe, and even if one of the pacemakers breaks down, the other can function, and thus functions as an auxiliary power source.
 また、電力を受信できるアンテナ5304とは別に、生理信号を送信できるアンテナを有していてもよく、例えば、脈拍、呼吸数、心拍数、体温などの生理信号を外部のモニタ装置で確認できるような心臓活動を監視するシステムを構成してもよい。 In addition to an antenna 5304 that can receive power, an antenna that can transmit physiological signals may be provided. For example, physiological signals such as a pulse, a respiratory rate, a heart rate, and a body temperature can be confirmed by an external monitor device. A system for monitoring cardiac activity may be configured.
 図21(B)に示すセンサ5900は、接着パッド等を用いて人体に取り付けられる。センサ5900は、配線5932を介して人体に取り付けられた電極5931等に信号を与えて心拍数や心電図などの生体情報を取得する。取得された情報は無線信号として、読み取り器等の端末に送信される。 21B is attached to the human body using an adhesive pad or the like. The sensor 5900 gives a signal to the electrode 5931 or the like attached to the human body via the wiring 5932 and acquires biological information such as a heart rate and an electrocardiogram. The acquired information is transmitted as a wireless signal to a terminal such as a reader.
 センサ5900に、上記半導体装置を用いることができる。 The above semiconductor device can be used for the sensor 5900.
 図22は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。 FIG. 22 is a schematic diagram showing an example of a cleaning robot.
 掃除ロボット5100は、上面に配置されたディスプレイ5101、側面に配置された複数のカメラ5102、ブラシ5103、操作ボタン5104を有する。また図示されていないが、掃除ロボット5100の下面には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット5100は、その他に赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなどの各種センサを備えている。また、掃除ロボット5100は、無線による通信手段を備えている。 The cleaning robot 5100 includes a display 5101 disposed on the top surface, a plurality of cameras 5102 disposed on the side surface, brushes 5103, and operation buttons 5104. Although not shown, the lower surface of the cleaning robot 5100 is provided with a tire, a suction port, and the like. In addition, the cleaning robot 5100 includes various sensors such as an infrared sensor, an ultrasonic sensor, an acceleration sensor, a piezo sensor, an optical sensor, and a gyro sensor. Moreover, the cleaning robot 5100 includes a wireless communication unit.
 カメラ5102に、上記半導体装置を用いることができる。 The above semiconductor device can be used for the camera 5102.
 掃除ロボット5100は自走し、ゴミ5120を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。 The cleaning robot 5100 is self-propelled, can detect the dust 5120, and can suck the dust from the suction port provided on the lower surface.
 また、掃除ロボット5100はカメラ5102が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ5103に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ5103の回転を止めることができる。 In addition, the cleaning robot 5100 can analyze the image taken by the camera 5102 and determine whether there is an obstacle such as a wall, furniture, or a step. In addition, when an object that is likely to be entangled with the brush 5103 such as wiring is detected by image analysis, the rotation of the brush 5103 can be stopped.
 ディスプレイ5101には、バッテリーの残量や、吸引したゴミの量などを表示することができる。また、掃除ロボット5100が走行した経路をディスプレイ5101に表示させてもよい。また、ディスプレイ5101をタッチパネルとし、操作ボタン5104をディスプレイ5101に設けてもよい。 The display 5101 can display the remaining amount of the battery, the amount of dust sucked, and the like. Further, the route traveled by the cleaning robot 5100 may be displayed on the display 5101. Alternatively, the display 5101 may be a touch panel, and the operation buttons 5104 may be provided on the display 5101.
 掃除ロボット5100は、スマートフォンなどの携帯電子機器5140と通信することができる。カメラ5102が撮影した画像は、携帯電子機器5140に表示させることができる。そのため、掃除ロボット5100の持ち主は、外出先からでも、部屋の様子を知ることができる。 The cleaning robot 5100 can communicate with a portable electronic device 5140 such as a smartphone. An image captured by the camera 5102 can be displayed on the portable electronic device 5140. Therefore, the owner of the cleaning robot 5100 can know the state of the room even when away from home.
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment mode can be combined with any of the other embodiment modes as appropriate.
10:半導体装置、20:層、21:制御回路、22:プロセッサ、23:周辺回路、24:電源回路、25:制御回路、26:制御回路、27:制御回路、28:制御回路、29:制御回路、30:層、31:セルアレイ、32:メモリセル、33:駆動回路、34:駆動回路、40:層、41:受光部、100:容量素子、100a:容量素子、100b:容量素子、110:導電体、112:導電体、120:導電体、120a:導電体、120b:導電体、130:絶縁体、130a:絶縁体、130b:絶縁体、135:絶縁体、150:絶縁体、200:トランジスタ、200a:トランジスタ、200b:トランジスタ、203:導電体、205:導電体、210:絶縁体、212:絶縁体、214:絶縁体、216:絶縁体、218:導電体、220:絶縁体、222:絶縁体、224:絶縁体、230:酸化物、230a:酸化物、230b:酸化物、230c:酸化物、231:領域、231a:領域、231b:領域、232:領域、232a:領域、232b:領域、234:領域、239:領域、240:導電体、240a:導電体、240b:導電体、240c:導電体、242:層、250:絶縁体、252:金属酸化物、260:導電体、260a:導電体、260b:導電体、270:絶縁体、271:絶縁体、272:絶縁体、273:絶縁体、274:絶縁体、275:絶縁体、280:絶縁体、300:トランジスタ、300a:トランジスタ、300b:トランジスタ、300c:トランジスタ、310:層、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、321: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、500:トランジスタ、500a:トランジスタ、500b:トランジスタ、503:導電体、505:導電体、524:絶縁体、530:酸化物、530a:酸化物、530b:酸化物、530c:酸化物、540:導電体、540a:導電体、540b:導電体、542:層、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、572:絶縁体、575:絶縁体、600:メモリセル、600a:メモリセル、600b:メモリセル、610:層、700:トランジスタ、703:導電体、705:導電体、724:絶縁体、730:酸化物、730a:酸化物、730b:酸化物、730c:酸化物、740:導電体、740a:導電体、740b:導電体、740c:導電体、742:層、745:導電体、750:絶縁体、752:金属酸化物、760:導電体、760a:導電体、760b:導電体、770:絶縁体、771:絶縁体、775:絶縁体、2100:ロボット、2101:照度センサ、2102:マイクロフォン、2103:上部カメラ、2104:スピーカ、2105:ディスプレイ、2106:下部カメラ、2107:障害物センサ、2108:移動機構、2110:演算装置、2120:飛行体、2121:演算装置、2122:カメラ、2123:プロペラ、2130:携帯電子機器、2131:携帯型マイクロフォン、2980:自動車、2981:カメラ、5100:掃除ロボット、5101:ディスプレイ、5102:カメラ、5103:ブラシ、5104:操作ボタン、5120:ゴミ、5140:携帯電子機器、5300:ペースメーカ本体、5301a:バッテリー、5301b:バッテリー、5302:ワイヤ、5303:ワイヤ、5304:アンテナ、5305:鎖骨下静脈、5306:上大静脈、5900:センサ、5931:電極、5932:配線 10: Semiconductor device, 20: Layer, 21: Control circuit, 22: Processor, 23: Peripheral circuit, 24: Power supply circuit, 25: Control circuit, 26: Control circuit, 27: Control circuit, 28: Control circuit, 29: Control circuit, 30: layer, 31: cell array, 32: memory cell, 33: drive circuit, 34: drive circuit, 40: layer, 41: light receiving unit, 100: capacitive element, 100a: capacitive element, 100b: capacitive element, 110: conductor, 112: conductor, 120: conductor, 120a: conductor, 120b: conductor, 130: insulator, 130a: insulator, 130b: insulator, 135: insulator, 150: insulator, 200: transistor, 200a: transistor, 200b: transistor, 203: conductor, 205: conductor, 210: insulator, 212: insulator, 214: insulator, 216: insulator 218: conductor, 220: insulator, 222: insulator, 224: insulator, 230: oxide, 230a: oxide, 230b: oxide, 230c: oxide, 231: region, 231a: region, 231b: Region, 232: region, 232a: region, 232b: region, 234: region, 239: region, 240: conductor, 240a: conductor, 240b: conductor, 240c: conductor, 242: layer, 250: insulator 252: metal oxide, 260: conductor, 260a: conductor, 260b: conductor, 270: insulator, 271: insulator, 272: insulator, 273: insulator, 274: insulator, 275: insulation 280: insulator, 300: transistor, 300a: transistor, 300b: transistor, 300c: transistor, 310: layer, 311: substrate, 313: Conductor region, 314a: low resistance region, 314b: low resistance region, 315: insulator, 316: conductor, 320: insulator, 321: insulator, 322: insulator, 324: insulator, 326: insulator, 328: Conductor, 330: Conductor, 350: Insulator, 352: Insulator, 354: Insulator, 356: Conductor, 500: Transistor, 500a: Transistor, 500b: Transistor, 503: Conductor, 505: Conductive Body, 524: insulator, 530: oxide, 530a: oxide, 530b: oxide, 530c: oxide, 540: conductor, 540a: conductor, 540b: conductor, 542: layer, 550: insulator 552: metal oxide, 560: conductor, 560a: conductor, 560b: conductor, 570: insulator, 571: insulator, 572: insulator, 575: insulator, 600: memory cell, 600a: memory cell, 600b: memory cell, 610: layer, 700: transistor, 703: conductor, 705: conductor, 724: insulator, 730: oxide, 730a: oxide, 730b: Oxide, 730c: oxide, 740: conductor, 740a: conductor, 740b: conductor, 740c: conductor, 742: layer, 745: conductor, 750: insulator, 752: metal oxide, 760: Conductor, 760a: Conductor, 760b: Conductor, 770: Insulator, 771: Insulator, 775: Insulator, 2100: Robot, 2101: Illuminance sensor, 2102: Microphone, 2103: Upper camera, 2104: Speaker, 2105: Display, 2106: Lower camera, 2107: Obstacle sensor, 2108: Moving mechanism, 2110: Computing device 2120: Aircraft, 2121: Computing device, 2122: Camera, 2123: Propeller, 2130: Portable electronic device, 2131: Portable microphone, 2980: Car, 2981: Camera, 5100: Cleaning robot, 5101: Display, 5102: Camera 5103: Brush 5104: Operation button 5120: Garbage 5140: Portable electronic device 5300: Pacemaker body 5301a: Battery 5301b: Battery 5302: Wire 5303: Wire 5304: Antenna 5305: Under clavicle Vein, 5306: superior vena cava, 5900: sensor, 5931: electrode, 5932: wiring

Claims (9)

  1.  第1の層と、前記第1の層の上方の第2の層と、を有し、
     前記第1の層は、制御回路を有し、
     前記第2の層は、記憶回路を有し、
     前記制御回路は、前記記憶回路の動作を制御する機能を有し、
     前記記憶回路は、複数のメモリセルと、駆動回路と、を有し、
     前記メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、
     前記第1のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲート及び前記容量素子と電気的に接続され、
     前記制御回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、
     前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する半導体装置。
    A first layer and a second layer above the first layer;
    The first layer has a control circuit;
    The second layer has a memory circuit;
    The control circuit has a function of controlling the operation of the memory circuit,
    The memory circuit includes a plurality of memory cells and a drive circuit,
    The memory cell includes a first transistor, a second transistor, and a capacitor,
    One of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the gate of the second transistor and the capacitor.
    The control circuit has a transistor formed on a semiconductor substrate,
    The first transistor and the second transistor each have a metal oxide in a channel formation region.
  2.  請求項1において、
     前記駆動回路は、第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、
     前記第1の駆動回路は、前記メモリセルを選択する機能を有し、
     前記第2の駆動回路は、前記メモリセルにデータを書き込む機能と、前記メモリセルに記憶されたデータを読み出す機能と、を有し、
     前記第1の駆動回路及び前記第2の駆動回路は、前記制御回路と電気的に接続され、
     前記第1の駆動回路及び前記第2の駆動回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有する半導体装置。
    In claim 1,
    The drive circuit includes a first drive circuit and a second drive circuit,
    The first drive circuit has a function of selecting the memory cell,
    The second drive circuit has a function of writing data to the memory cell and a function of reading data stored in the memory cell,
    The first drive circuit and the second drive circuit are electrically connected to the control circuit,
    The first driver circuit and the second driver circuit each include a transistor including a metal oxide in a channel formation region.
  3.  請求項1又は2において、
     前記第1のトランジスタと第2のトランジスタの極性は同一である半導体装置。
    In claim 1 or 2,
    A semiconductor device in which the first transistor and the second transistor have the same polarity.
  4.  請求項1又は2において、
     前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタは同一の絶縁層上に形成されている半導体装置。
    In claim 1 or 2,
    The semiconductor device, wherein the first transistor and the second transistor are formed on the same insulating layer.
  5.  請求項1又は2において、
     前記制御回路は、クロック生成回路と、タイミングコントローラと、を有する半導体装置。
    In claim 1 or 2,
    The control circuit is a semiconductor device having a clock generation circuit and a timing controller.
  6.  請求項1又は2において、
     第1の層は、プロセッサと、周辺回路と、電源回路と、を有し、
     前記プロセッサ、前記周辺回路、及び前記電源回路は、前記半導体基板に形成されたトランジスタを有する半導体装置。
    In claim 1 or 2,
    The first layer has a processor, a peripheral circuit, and a power supply circuit,
    The processor, the peripheral circuit, and the power supply circuit each include a transistor formed on the semiconductor substrate.
  7.  請求項1又は2に記載の半導体装置を有する電子機器。 An electronic device having the semiconductor device according to claim 1.
  8.  請求項1又は2において、前記第2の層の上方に更に第3の層を有し、
     前記第3の層は、受光部を有する半導体装置。
    The third layer according to claim 1 or 2, further comprising a third layer above the second layer,
    The third layer is a semiconductor device having a light receiving portion.
  9.  第1の層は更に、第2の制御回路を有し、
     第2の制御回路は、受光部に電気的に接続されている半導体装置。
    The first layer further comprises a second control circuit;
    The second control circuit is a semiconductor device electrically connected to the light receiving unit.
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