特許 6616102 記憶装置及び電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6616102

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】記憶装置及び電子機器

(51)【国際特許分類】

   G11C 11/405 20060101AFI20191125BHJP

   G11C 11/56 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 21/8242 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 27/108 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   G11C11/405

   G11C11/56 250

   H01L27/108 321

   H01L29/78 613B

   H01L29/78 618B

【請求項の数】11

【全頁数】39

(21)【出願番号】特願2015-102469(P2015-102469)

(22)【出願日】2015年5月20日

(65)【公開番号】特開2016-1514(P2016-1514A)

(43)【公開日】2016年1月7日

【審査請求日】2018年5月15日

(31)【優先権主張番号】特願2014-107401(P2014-107401)

(32)【優先日】2014年5月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】八窪 裕人

(72)【発明者】

【氏名】長塚 修平

【審査官】 堀田 和義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−６４９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３４３０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−７５５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−８２３９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ１１Ｃ １１／４０５

Ｇ１１Ｃ １１／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の回路と、
第２の回路と、
第３の回路と、
メモリセルと、を有し、
前記第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、
前記第２の回路は、前記メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、
前記第３の回路は、前記第１の回路が電源の投入を検出した後に、前記第２の回路が指定したアドレスの前記メモリセルをリフレッシュする機能を有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタは、
絶縁膜上の、第１の酸化物半導体膜と、
前記第１の酸化物半導体膜上の、第２の酸化物半導体膜と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ソース電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ドレイン電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、第３の酸化物半導体膜と、
前記第３の酸化物半導体膜上の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ゲート電極と、を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記ゲート電極と重なる領域にチャネル形成領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜の膜厚は、前記第３の酸化物半導体膜の膜厚より大きく、
チャネル長方向において、前記第３の酸化物半導体膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有し、
チャネル幅方向において、前記ゲート電極は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有する、記憶装置。

【請求項2】

第１の回路と、
第２の回路と、
第３の回路と、
メモリセルと、を有し、
前記第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、
前記第２の回路は、前記メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、
前記第３の回路は、前記第１の回路が電源の投入を検出した後に、前記第２の回路が指定したアドレスの前記メモリセルをリフレッシュする機能を有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタは、
第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極上に位置する絶縁膜を介して設けられた、第１の酸化物半導体膜と、
前記第１の酸化物半導体膜上の、第２の酸化物半導体膜と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ソース電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ドレイン電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、第３の酸化物半導体膜と、
前記第３の酸化物半導体膜上の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、第２のゲート電極と、を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記第２のゲート電極と重なる領域にチャネル形成領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜の膜厚は、前記第３の酸化物半導体膜の膜厚より大きく、
チャネル長方向において、前記第３の酸化物半導体膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有し、
チャネル幅方向において、前記第２のゲート電極は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有する、記憶装置。

【請求項3】

第１の回路と、
第２の回路と、
第３の回路と、
メモリセルと、を有し、
前記第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、
前記第２の回路は、前記メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、
前記第３の回路は、前記第１の回路が電源の投入を検出した後に、前記第２の回路が指定したアドレスの前記メモリセルをリフレッシュする機能を有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタは、
第１の導電膜と、
前記第１の導電膜上に位置する絶縁膜を介して設けられた、第１の酸化物半導体膜と、
前記第１の酸化物半導体膜上の、第２の酸化物半導体膜と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ソース電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ドレイン電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、第３の酸化物半導体膜と、
前記第３の酸化物半導体膜上の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、第２の導電膜と、を有し、
前記第２の導電膜は、ゲート電極として機能する領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記ゲート電極と重なる領域にチャネル形成領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜の膜厚は、前記第３の酸化物半導体膜の膜厚より大きく、
チャネル長方向において、前記第３の酸化物半導体膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有し、
チャネル幅方向において、前記第２の導電膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有する、記憶装置。

【請求項4】

第１の回路と、
第２の回路と、
第３の回路と、
メモリセルと、を有し、
前記第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、
前記第２の回路は、前記メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、
前記第３の回路は、前記第１の回路が電源の投入を検出した後に、前記第２の回路が指定したアドレスの前記メモリセルをリフレッシュする機能を有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタは、
絶縁膜上の、第１の酸化物半導体膜と、
前記第１の酸化物半導体膜上の、第２の酸化物半導体膜と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ソース電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ドレイン電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、第３の酸化物半導体膜と、
前記第３の酸化物半導体膜上の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ゲート電極と、を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記ゲート電極と重なる領域にチャネル形成領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜の膜厚は、前記第３の酸化物半導体膜の膜厚より大きく、
前記ゲート電極の端部は、前記ゲート絶縁膜の端部と一致する領域を有し、
前記ゲート電極の端部は、前記第３の酸化物半導体膜の端部と一致する領域を有し、
チャネル幅方向において、前記第３の酸化物半導体膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有し、
前記チャネル幅方向において、前記ゲート電極は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第１の酸化物半導体膜の側面、及び前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有する、記憶装置。

【請求項5】

第１の回路と、
第２の回路と、
第３の回路と、
メモリセルと、を有し、
前記第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、
前記第２の回路は、前記メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、
前記第３の回路は、前記第１の回路が電源の投入を検出した後に、前記第２の回路が指定したアドレスの前記メモリセルをリフレッシュする機能を有し、
前記メモリセルは、第１のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタは、
絶縁膜上の、第２の酸化物半導体膜と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ソース電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、ドレイン電極と、
前記第２の酸化物半導体膜上の、第３の酸化物半導体膜と、
前記第３の酸化物半導体膜上の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、ゲート電極と、を有し、
前記第２の酸化物半導体膜は、前記ゲート電極と重なる領域にチャネル形成領域を有し、
前記第２の酸化物半導体膜の膜厚は、前記第３の酸化物半導体膜の膜厚より大きく、
チャネル長方向において、前記第３の酸化物半導体膜は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有し、
チャネル幅方向において、前記ゲート電極は、前記絶縁膜の側面の一部、前記第２の酸化物半導体膜の側面を覆う領域を有する、記憶装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記メモリセルは、容量素子を有する、記憶装置。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記メモリセルは、第２のトランジスタを有し、
前記第２のトランジスタのチャネルは、前記第２の酸化物半導体膜よりもバンドギャップが小さい半導体を含む、記憶装置。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記メモリセルは、多値のデータを保持する機能を有する、記憶装置。

【請求項9】

請求項１乃至請求項８のいずれか一において、
前記第２の酸化物半導体膜は、インジウムを含む、記憶装置。

【請求項10】

請求項１乃至請求項９のいずれか一において、
前記第２の酸化物半導体膜は、インジウム、亜鉛、および、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）を含む、記憶装置。

【請求項11】

請求項１乃至請求項１０のいずれか一に記載の記憶装置と、
マイクロフォン、スピーカ、表示部、および操作キーのうちの少なくとも１つと、を有する電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物、方法、又は製造方法に関する。又は、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法又はそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、酸化物半導体を含む半導体装置、表示装置、又は発光装置に関する。

【0002】

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。

【背景技術】

【0003】

近年、扱われるデータ量の増大に伴って、大きな記憶容量を有する半導体記憶装置（以下、記憶装置）が求められている。記憶装置は、電力の供給がなくなると記憶内容が失われる揮発性のものと、電力の供給がなくなっても記憶内容は保持される不揮発性のものとに大別される。

【0004】

揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。ＤＲＡＭは、記憶素子を構成するトランジスタを選択してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶する。上述の原理から、ＤＲＡＭでは、情報を読み出すとキャパシタの電荷は失われるため、情報の読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を構成するトランジスタにおいてはオフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流（オフ電流）等によって、トランジスタが選択されていない状況でも電荷が流出、または流入するため、データの保持期間が短い。このため、所定の周期で再度の書き込み動作（リフレッシュ動作）が必要であり、消費電力を十分に低減することは困難である。

【0005】

不揮発性記憶装置の代表例としては、フラッシュメモリがある。フラッシュメモリは、トランジスタのゲート電極とチャネル形成領域との間にフローティングゲートを有し、当該フローティングゲートに電荷を保持させることで記憶を行うため、データの保持期間は極めて長く（半永久的）、揮発性記憶装置で必要なリフレッシュ動作が不要であるという利点を有している。しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によって記憶素子を構成するゲート絶縁層が劣化するため、所定回数の書き込みによって記憶素子が機能しなくなるという問題が生じる。

【0006】

ＤＲＡＭのメモリセルのスイッチング素子として、酸化物半導体をチャネル形成領域に有するトランジスタ（以下「酸化物半導体トランジスタ」という）を用いる場合、酸化物半導体トランジスタは、オフ状態でのリーク電流（オフ電流）が非常に小さいので、リフレッシュ期間が長く、消費電力の少ないＤＲＡＭを作製することができる（特許文献１）。

【0007】

また、特許文献２には、酸化物半導体トランジスタを用いた不揮発性の記憶装置が開示されている。該記憶装置は、先述のフラッシュメモリと異なり、書き換え可能回数に制限がなく、さらに、トランジスタのオン、オフによって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が容易に実現でき、消費電力も少ない。

【0008】

また、先述した特許文献２には、酸化物半導体トランジスタを用いて多値のデータを記憶する記憶装置の構成が開示されている。一般的に、多値メモリのデータは、２値メモリのデータと比較して、許容される電圧の変動幅が小さく、僅かなデータの劣化でも、メモリの動作不良を引き起こす。そのため、多値メモリが保障されるデータの保持期間は、２値メモリよりも短い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１３−１６８６３１号公報

【特許文献2】特開２０１２−２５６４００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の一態様は、信頼性が優れた記憶装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、短時間でデータの書き込みが可能な記憶装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、データを書き込む際の消費電力が小さい記憶装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、信頼性が優れ、且つ多値のデータを保持することができる記憶装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な記憶装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。

【0011】

なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発明の一形態の課題となり得る。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、第３の回路と、メモリセルと、を有する記憶装置である。第１の回路は、電源の投入を検出する機能を有し、第２の回路は、メモリセルのアドレスを指定する機能を有し、第３の回路は、第１の回路が電源の投入を検出した後に、第２の回路が指定したアドレスのメモリセルをリフレッシュする機能を有し、メモリセルは、チャネルに酸化物半導体を含む第１のトランジスタを有する。

【0013】

上記態様において、メモリセルは、容量素子を有してもよい。

【0014】

上記態様において、メモリセルは、第２のトランジスタを有してもよい。なお、第２のトランジスタのチャネルは、酸化物半導体よりもバンドギャップが小さい半導体を含むことが好ましい。

【0015】

上記態様において、メモリセルは、多値のデータを保持することが好ましい。

【0016】

上記態様において、酸化物半導体は、インジウム、亜鉛、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）を含むことが好ましい。

【0017】

マイクロフォン、スピーカ、表示部、および操作キーのうちの少なくとも１つを有する電子機器は、上記態様に記載の記憶装置を含むことが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明の一態様により、信頼性が優れた記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、短時間でデータの書き込みが可能な記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、データを書き込む際の消費電力が小さい記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、信頼性が優れ、且つ多値のデータを保持することができる記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。

【0019】

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】記憶装置の構成例を示すブロック図。

【図2】コントローラの構成例を示すブロック図。

【図3】記憶装置がとり得る状態の例を示す状態遷移図。

【図4】トランジスタ構成例を示す上面図および断面図。

【図5】トランジスタ構成例を示す断面図およびバンド図。

【図6】トランジスタ構成例を示す上面図および断面図。

【図7】トランジスタ構成例を示す上面図および断面図。

【図8】トランジスタ構成例を示す上面図および断面図。

【図9】半導体装置の一例を示す回路図。

【図10】半導体装置の構成例を示す断面図。

【図11】半導体装置の構成例を示す断面図。

【図12】電子機器の一例を示す図。

【図13】記録媒体の一例を示す図。

【図14】ＲＦタグの一例を示す図。

【図15】Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の組成を説明する三角図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、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。従って、本発明は以下に示す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。

【0022】

なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。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。

【0023】

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、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。

【0024】

なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。

【0025】

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。

【0026】

トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。

【0027】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である記憶装置の一例について図１乃至図３を用いて説明を行う。

【0028】

メモリのデータは、例えば、メモリに保持された電荷のリークが原因で劣化する。そのため、メモリのデータを定期的にリフレッシュすることで、データの劣化によるメモリの誤動作を防ぐことができる。

【0029】

なお、リフレッシュとは、メモリに格納されたデータを読み出し、再びメモリに書き戻すことをいう。

【0030】

使用環境にもよるが、通常の使用法であれば、使用者は、数秒、数分、数時間、数日に一度は、記憶装置の電源を投入することがある。本発明の一態様である記憶装置は、電源投入時にメモリをリフレッシュする機能を有する。

【0031】

図１は、本発明の一態様である記憶装置１００を構成する回路を、ブロック図で示している。記憶装置１００は、コントローラ１０１と、アドレスバッファ１０２と、ローデコーダ１０３と、カラムデコーダ１０４と、読み出し回路１０５と、メモリ１０６と、データインバッファ１０７と、データアウトバッファ１０８を有している。

【0032】

メモリ１０６は、マトリックス状（ｍ行ｎ列、ｍ及びｎは２以上の自然数）に配置された複数のメモリセル１０９を有している。各メモリセル１０９は、固有番号（アドレス）を有している。メモリセル１０９が電荷を保持することで、メモリ１０６はデータを記憶することができる。

【0033】

アドレスバッファ１０２は、指定されたアドレスを選択するために、アドレスの情報を、カラムデコーダ１０４及びローデコーダ１０３に出力する機能を有する。

【0034】

ローデコーダ１０３は、アドレスバッファ１０２から出力されるアドレスの情報に対応した行を選択する機能を有する。

【0035】

カラムデコーダ１０４は、アドレスバッファ１０２から出力されるアドレスの情報に対応した列を選択する機能を有する。

【0036】

読み出し回路１０５は、メモリ１０６内のデータを読み出す機能を有する。読み出し回路１０５は、センスアンプ回路を含んでも良いし、アナログデジタル変換回路（Ａ／Ｄコンバータ）を含んでもよい。また、読み出し回路１０５は、ページバッファを設けて、メモリ１０６内のデータを一時保存する機能を有してもよい。記憶装置１００は、ページバッファに保存されたデータをもとにメモリ１０６をリフレッシュすることが可能となる。

【0037】

データインバッファ１０７は、外部回路から入力されたデータをメモリ１０６に入力するためのバッファである。

【0038】

データアウトバッファ１０８は、メモリ１０６のデータを外部回路へ出力するためのバッファである。先述のページバッファは、データアウトバッファ１０８に設けてもよい。また、読み出し回路１０５とデータアウトバッファ１０８の間に、先述のページバッファを設けてもよい。

【0039】

図２は、コントローラ１０１の回路構成を説明したブロック図である。コントローラ１０１は、電源ＯＮ検出回路１１１と、カウンタ回路１１２と、モード選択回路１１３と、Ｉ／Ｏ制御回路１１４と、リフレッシュプログラム回路１１５と、アドレス指定回路１１６を含む。

【0040】

電源ＯＮ検出回路１１１は、記憶装置１００の電源が投入されたことを検出する機能を有する。

【0041】

カウンタ回路１１２は、リフレッシュを行うメモリセル１０９のアドレスを順次選択する機能を有する。

【0042】

モード選択回路１１３は、例えば、リフレッシュ、スタンバイ、メモリ１０６の読み出し、メモリ１０６への書き込み、電源ＯＦＦなど、記憶装置１００がとり得る状態を選択する機能を有する。

【0043】

Ｉ／Ｏ制御回路１１４は、記憶装置１００のデータの入出力を切り替える機能を有する。

【0044】

リフレッシュプログラム回路１１５は、電源ＯＮ検出回路１１１が電源ＯＮを検出したら、カウンタ回路１１２が指定したアドレスのメモリセル１０９に対して、リフレッシュを行う機能を有する。なお、リフレッシュプログラム回路１１５は、コントローラ１０１の外に設けてもよい。

【0045】

アドレス指定回路１１６は、メモリセル１０９のアドレスを選択する機能を有する。

【0046】

記憶装置１００の電源が投入されたとき、電源ＯＮ検出回路１１１は、電源ＯＮを検出し、モード選択回路１１３はリフレッシュモードを選択する。リフレッシュモードが選択されると、リフレッシュプログラム回路１１５に含まれるプログラムが実行される。リフレッシュモードでは、カウンタ回路１１２がメモリセル１０９のアドレスを順次選択し、全て又は一部のメモリセル１０９のデータがリフレッシュされる。

【0047】

なお、リフレッシュは、メモリ１０６内のデータを一度読み出す必要がある。読み出したデータは、前述のページバッファに一時保存してもよい。

【0048】

図３は、記憶装置１００の動作を表す状態遷移図である。

【0049】

まず、電源をＯＮにしたあと、記憶装置１００はリフレッシュ動作に移行する。

【0050】

次に、記憶装置１００はスタンバイ状態に移行する。記憶装置１００は、新たな命令が入力されるまで、スタンバイ状態を繰り返す。

【0051】

書き込みの命令が与えられた場合は、記憶装置１００はメモリ１０６にデータを書き込む。

【0052】

読み出しの命令が与えられた場合は、記憶装置１００はメモリ１０６のデータを読み出す。

【0053】

書き込み動作から読み出し動作への移行、またその逆は、スタンバイ状態を経由してもよいし、経由しなくてもよい。

【0054】

電源ＯＦＦの命令が与えられた場合は、記憶装置１００は電源をＯＦＦにする。電源ＯＦＦの動作は、スタンバイ状態から移行してもよいし、書き込み動作から移行してもよいし、また、読み出し動作から移行してもよい。

【0055】

例えば、メモリ１０６にフラッシュメモリを用いた場合、電源投入の度にフラッシュメモリ内の全て又は一部のメモリセル１０９をリフレッシュすることになるが、フラッシュメモリは書き込み回数に制限があるため、メモリセル１０９の劣化を早めてしまう。また、フラッシュメモリは、書き込みに長時間を要するため、リフレッシュに長時間を要する。

【0056】

酸化物半導体トランジスタを用いたメモリセル１０９は、書き込み回数に制限がなく、書き込みに要する時間が短いため、メモリ１０６に好適である。

【0057】

また、酸化物半導体トランジスタを用いたメモリセル１０９は、書き込みに要する消費電力が小さいため、メモリ１０６に好適である。

【0058】

特に、メモリ１０６は、２値以上のデータを格納できる多値メモリであることが好ましい。多値メモリをメモリ１０６に適用することで、記憶容量が大きい記憶装置を提供することが可能になる。

【0059】

記憶装置１００が上記の形態をとることで、データの劣化が少なく信頼性に優れた記憶装置を提供することができる。また、書き込み回数に制限がなく、書き込み時間が短い記憶装置を提供することができる。また、消費電力が少ない記憶装置を提供することができる。また、記憶容量が大きい記憶装置を提供することができる。

【0060】

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0061】

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタの一例について説明する。

【0062】

〈〈トランジスタの構成例１〉〉
図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）は、トランジスタ６００の上面図および断面図である。図４（Ａ）は上面図であり、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図４（Ｂ）に相当し、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図４（Ｃ）に相当し、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図４（Ｄ）に相当する。なお、図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。また、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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呼ぶ。）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呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される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、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。

【0066】

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

【0067】

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。

【0068】

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。

【0069】

トランジスタ６００は、基板６４０と、基板６４０上の絶縁膜６５２と、絶縁膜６５２上に、半導体６６１、半導体６６２の順で形成された積層と、半導体６６２の上面と接する導電膜６７１および導電膜６７２と、半導体６６１、半導体６６２、導電膜６７１および導電膜６７２と接する半導体６６３と、半導体６６３上の絶縁膜６５３および導電膜６７３と、導電膜６７３および絶縁膜６５３上の絶縁膜６５４と、絶縁膜６５４上の絶縁膜６５５を有する。なお、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３をまとめて、半導体６６０と呼称する。

【0070】

導電膜６７１は、トランジスタ６００のソース電極としての機能を有する。導電膜６７２は、トランジスタ６００のドレイン電極としての機能を有する。なお、トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

【0071】

導電膜６７３は、トランジスタ６００のゲート電極としての機能を有する。

【0072】

絶縁膜６５３は、トランジスタ６００のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0073】

図４（Ｃ）に示すように、半導体６６２の側面は、導電膜６７３に囲まれている。上記構成をとることで、導電膜６７３の電界によって、半導体６６２を電気的に取り囲むことができる（導電膜（ゲート電極）の電界によって、半導体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。）。そのため、半導体６６２の全体（バルク）にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、トランジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高くすることができる。また、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。

【0074】

ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下の領域を有する。

【0075】

ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、高いオン電流が得られるため、高周波での動作が要求されるトランジスタに適した構造といえる。該トランジスタを有する半導体装置は、高周波で動作可能な半導体装置とすることが可能となる。

【0076】

以下に、本実施の形態の半導体装置に含まれる構成要素について、詳細に説明する。

【0077】

〈基板〉
基板６４０としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。

【0078】

また、基板６４０として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板６４０に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板６４０として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板６４０が伸縮性を有してもよい。また、基板６４０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板６４０の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下とする。基板６４０を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、基板６４０を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板６４０上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。

【0079】

可とう性基板である基板６４０としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板６４０は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板６４０としては、例えば、線膨張率が１×１０^−３／Ｋ以下、５×１０^−５／Ｋ以下、または１×１０^−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板６４０として好適である。

【0080】

〈下地絶縁膜〉
絶縁膜６５２の上面はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていることが好ましい。

【0081】

絶縁膜６５２は、酸化物を含むことが好ましい。特に加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を含むことが好ましい。好適には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。絶縁膜６５２から脱離した酸素は酸化物半導体である半導体６６０に供給され、酸化物半導体中の酸素欠損を低減することが可能となる。その結果、トランジスタの電気特性の変動を抑制し、信頼性を高めることができる。

【0082】

化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物膜は、例えば、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。

【0083】

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。金属酸化物として、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いる事ができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。

【0084】

また絶縁膜６５２に酸素を過剰に含有させるために、絶縁膜６５２に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよい。例えば、成膜後の絶縁膜６５２に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。

【0085】

〈半導体〉
次に、半導体６６１乃至６６３に適用可能な半導体について説明する。

【0086】

トランジスタ６００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いことが好適である。ここでは、オフ電流が低いとは、室温において、ソースとドレインとの間の電圧を１０Ｖとし、チャネル幅が１μｍあたりの規格化されたオフ電流が１０×１０^−２１Ａ以下であることをいう。このようにオフ電流が低いトランジスタとしては、半導体に酸化物半導体を有するトランジスタが挙げられる。

【0087】

半導体６６２は、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含む酸化物半導体である。半導体６６２は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体６６２は、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）またはスズ（Ｓｎ）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（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）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。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体６６２は、亜鉛（Ｚｎ）を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。

【0088】

ただし、半導体６６２は、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体６６２は、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。

【0089】

半導体６６２は、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体６６２のエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。

【0090】

半導体６６２は、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることが好ましい。

【0091】

例えば、半導体６６１および半導体６６３は、半導体６６２を構成する酸素以外の元素一種以上から構成される酸化物半導体である。半導体６６２を構成する酸素以外の元素一種以上から半導体６６１および半導体６６３が構成されるため、半導体６６１と半導体６６２との界面、および半導体６６２と半導体６６３との界面において、界面準位が形成されにくい。

【0092】

半導体６６１乃至６６３は、少なくともインジウムを含むと好ましい。なお、半導体６６１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体６６２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、半導体６６３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、半導体６６３は、半導体６６１と同種の酸化物を用いても構わない。ただし、半導体６６１または／および半導体６６３がインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、半導体６６１または／および半導体６６３が酸化ガリウムであっても構わない。

【0093】

半導体６６２がスパッタリング法で作製されたＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１が好ましい。なお、上記のスパッタリングターゲットを用いて成膜された半導体膜に含まれる金属元素の原子数比は、ターゲットのそれとは異なる。例えば、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１のターゲットを用いて成膜された半導体膜に含まれる金属元素の原子数比は、およそＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３である。

【0094】

半導体６６１及び半導体６６３がスパッタリング法で作製されたＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４が好ましい。なお、上記のスパッタリングターゲットを用いて成膜された半導体膜に含まれる金属元素の原子数比は、ターゲットのそれとは異なる。

【0095】

次に、半導体６６１乃至６６３の積層により構成される半導体６６０の機能およびその効果について、図５（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図５（Ａ）は、図４（Ｂ）に示すトランジスタ６００のチャネル部分を拡大した図で、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）にＣ１−Ｃ２の鎖線で示した部位のエネルギーバンド構造を示している。また、図５（Ｂ）は、トランジスタ６００のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。

【0096】

図５（Ｂ）中、Ｅｃ６５２、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、Ｅｃ６６３、Ｅｃ６５３は、それぞれ、絶縁膜６５２、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３、絶縁膜６５３の伝導帯下端のエネルギーを示している。

【0097】

ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータを用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定できる。

【0098】

絶縁膜６５２と絶縁膜６５３は絶縁体であるため、Ｅｃ６５３とＥｃ６５２は、Ｅｃ６６１、Ｅｃ６６２、およびＥｃ６６３よりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。

【0099】

半導体６６２は、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体６６２として、半導体６６１および半導体６６３よりも電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。

【0100】

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、半導体６６３がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。

【0101】

このとき、ゲート電圧を印加すると、半導体６６１、半導体６６２、半導体６６３のうち、電子親和力の大きい半導体６６２にチャネルが形成される。

【0102】

ここで、半導体６６１と半導体６６２との間には、半導体６６１と半導体６６２との混合領域を有する場合がある。また、半導体６６２と半導体６６３との間には、半導体６６２と半導体６６３との混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３の積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）バンド構造となる。

【0103】

このとき、電子は、半導体６６１中および半導体６６３中ではなく、半導体６６２中を主として移動する。上述したように、半導体６６１および半導体６６２の界面における界面準位密度、半導体６６２と半導体６６３との界面における界面準位密度を低くすることによって、半導体６６２中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジスタのオン電流を高くすることができる。

【0104】

トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動すると推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。

【0105】

トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体６６２の上面または下面（被形成面、ここでは半導体６６１）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。

【0106】

または、例えば、チャネルの形成される領域中の欠陥準位密度が高い場合にも、電子の移動は阻害される。

【0107】

例えば、半導体６６２が酸素欠損（Ｖ_Ｏとも表記。）を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。以下では酸素欠損のサイトに水素が入り込んだ状態をＶ_ＯＨと表記する場合がある。Ｖ_ＯＨは電子を散乱するため、トランジスタのオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、半導体６６２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタのオン電流を高くすることができる場合がある。

【0108】

例えば、半導体６６２のある深さにおいて、または、半導体６６２のある領域において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定される水素濃度は、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0109】

半導体６６２の酸素欠損を低減するために、例えば、絶縁膜６５２に含まれる過剰酸素を、半導体６６１を介して半導体６６２まで移動させる方法などがある。この場合、半導体６６１は、酸素透過性を有する層（酸素を透過させる層）であることが好ましい。

【0110】

なお、トランジスタがｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体６６２の全体にチャネルが形成される。したがって、半導体６６２が厚いほどチャネル領域は大きくなる。即ち、半導体６６２が厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。例えば、２０ｎｍ以上、好ましくは４０ｎｍ以上、さらに好ましくは６０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６２とすればよい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体６６２とすればよい。

【0111】

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、半導体６６３の厚さは小さいほど好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する半導体６６３とすればよい。一方、半導体６６３は、チャネルの形成される半導体６６２へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、半導体６６３は、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６３とすればよい。また、半導体６６３は、絶縁膜６５２などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、酸素をブロックする性質を有すると好ましい。

【0112】

また、信頼性を高くするためには、半導体６６１は厚く、半導体６６３は薄いことが好ましい。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６０ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６１とすればよい。半導体６６１の厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と半導体６６１との界面からチャネルの形成される半導体６６２までの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましくは８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する半導体６６１とすればよい。

【0113】

例えば、半導体６６２と半導体６６１との間に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、半導体６６２と半導体６６３との間に、ＳＩＭＳにおいて、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満のシリコン濃度となる領域を有する。

【0114】

また、半導体６６２の水素濃度を低減するために、半導体６６１および半導体６６３の水素濃度を低減すると好ましい。半導体６６１および半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体６６２の窒素濃度を低減するために、半導体６６１および半導体６６３の窒素濃度を低減すると好ましい。半導体６６１および半導体６６３は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒素濃度となる領域を有する。

【0115】

上述の３層構造は一例である。例えば、半導体６６１または半導体６６３のない２層構造としても構わない。または、半導体６６１の上もしくは下、または半導体６６３上もしくは下に、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、半導体６６１の上、半導体６６１の下、半導体６６３の上、半導体６６３の下のいずれか二箇所以上に、半導体６６１、半導体６６２および半導体６６３として例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。

【0116】

以上、半導体６６１乃至６６３を上述の構成にすることで、トランジスタ６００は高いオン電流が得られ、高周波での動作が可能になる。

【0117】

〈導電膜〉
導電膜６７１、６７２、６７３は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、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。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

【0118】

また、導電膜６７１、６７２、６７３には、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。

【0119】

また、導電膜６７１、６７２、６７３には、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、ストロンチウムルテナイトなど、貴金属を含む導電性酸化物を用いることが好ましい。これらの導電性酸化物は、酸化物半導体と接しても酸化物半導体から酸素を奪うことが少なく、酸化物半導体の酸素欠損を作りにくい。

【0120】

〈ゲート絶縁膜〉
絶縁膜６５３には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜６５３は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜６５３に、ランタン（Ｌａ）、窒素、ジルコニウム（Ｚｒ）などを、不純物として含んでいてもよい。

【0121】

また、絶縁膜６５３の積層構造の一例について説明する。絶縁膜６５３は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。

【0122】

酸化ハフニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンに対して膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。

【0123】

〈保護絶縁膜〉
絶縁膜６５４は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキングできる機能を有する。絶縁膜６５４を設けることで、半導体６６０からの酸素の外部への拡散と、外部から半導体６６０への水素、水等の入り込みを防ぐことができる。絶縁膜６５４としては、例えば、窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のブロッキング効果を有する窒化物絶縁膜の代わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。

【0124】

酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高いので絶縁膜６５４に適用するのに好ましい。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、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半導体６６０への混入防止、半導体６６０を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体からの放出防止、絶縁膜６５２からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体中に拡散させることもできる。

【0125】

〈層間絶縁膜〉
また、絶縁膜６５４上には絶縁膜６５５が形成されていることが好ましい。絶縁膜６５５には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、絶縁膜６５５には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。また、絶縁膜６５５は上記材料の積層であってもよい。

【0126】

〈酸化物半導体膜の構造〉
以下では、半導体６６２に適用可能な、酸化物半導体の構造について説明する。

【0127】

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

【0128】

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

【0129】

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。

【0130】

まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。

【0131】

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。

【0132】

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

【0133】

試料面と概略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

【0134】

一方、試料面と概略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

【0135】

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

【0136】

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

【0137】

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

【0138】

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。

【0139】

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のように、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

【0140】

なお、本明細書等において実質的に真性という場合、酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０^１７／ｃｍ^３未満、１×１０^１５／ｃｍ^３未満、または１×１０^１３／ｃｍ^３未満である。酸化物半導体膜を高純度真性化することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

【0141】

酸化物半導体膜を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ分析において、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。また、水素濃度は、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0142】

また、酸化物半導体膜が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体膜の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体膜の結晶性を低下させないためには、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体膜のある深さにおいて、または、酸化物半導体膜のある領域において、炭素濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする部分を有していればよい。

【0143】

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。

【0144】

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

【0145】

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。

【0146】

ｎｃ−ＯＳ膜は、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膜は、異なる結晶部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膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。

【0147】

ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

【0148】

酸化物半導体膜がＣＡＡＣ−ＯＳ膜であったとしても、部分的にｎｃ構造などと同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の良否は、一定の範囲におけるＣＡＡＣ構造の回折パターンが観測される領域の割合（ＣＡＡＣ比率、またはＣＡＡＣ化率ともいう。）で表すことができる場合がある。ここで、ＣＡＡＣ比率は、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９７％以上１００％以下である。

【0149】

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。

【0150】

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。

【0151】

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。

【0152】

非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。

【0153】

なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。

【0154】

ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。

【0155】

なお、ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ−ｂ面に対応する。

【0156】

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

【0157】

以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳの組成について説明する。なお、組成の説明には、ＣＡＡＣ−ＯＳとなる酸化物半導体であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合を例示する。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、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、タングステンなどがある。

【0158】

図１５は、各頂点にＩｎ、ＭまたはＺｎを配置した三角図である。また、図中の［Ｉｎ］はＩｎの原子濃度を示し、［Ｍ］は元素Ｍの原子濃度を示し、［Ｚｎ］はＺｎの原子濃度を示す。

【0159】

Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の結晶はホモロガス構造を有することが知られており、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは自然数。）で示される。また、ＩｎとＭとを置き換えることが可能であるため、Ｉｎ_１＋αＭ_１−αＯ_３（ＺｎＯ）_ｍで示すこともできる。これは、図１５において、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：１、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：２、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：３、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：４、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１＋α：１−α：５と表記した破線で示される組成である。

【0160】

図１５の破線上の太線は、例えば、原料となる酸化物を混合し、１３５０℃で焼成した場合に単一相の固溶域をとり得ることが知られている組成である。また、図１５に四角のシンボルで示す座標は、スピネル型の結晶構造が混在しやすいことが知られている組成である。

【0161】

例えば、スピネル型の結晶構造を有する化合物として、ＺｎＧａ_２Ｏ_４などのＺｎＭ_２Ｏ_４で表される化合物が知られている。図１５に示すようにＺｎＭ_２Ｏ_４の近傍の組成、つまり（Ｉｎ，Ｚｎ，Ｍ）＝（０，１，２）に近い値を有する場合には、スピネル型の結晶構造が形成、あるいは混在しやすい。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、特にスピネル型の結晶構造が含まれないことが好ましい。

【0162】

また、キャリア移動度を高めるためにはＩｎの含有率を高めることが好ましい。インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、インジウムの含有率が多い酸化物はインジウムの含有率が少ない酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体膜にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、キャリア移動度を高めることができる。

【0163】

よって、図４の半導体６６２の組成は、図１５に示した太線の組成の近傍であることが好ましい。こうすることで、トランジスタのチャネル形成領域を、ＣＡＡＣ化率の高い領域とすることができる。さらに、半導体６６２のＩｎの含有率を高めることで、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。上記の条件を満たす組成のうち、半導体６６２として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３（金属原子数比）が特に好ましい。

【0164】

以上、トランジスタのチャネル形成領域をＣＡＡＣ−ＯＳとすることで、信頼性が高く、オン電流の高いトランジスタを提供することが可能になる。また、高周波でも動作可能なトランジスタを提供することができる。

【0165】

ところで、ＣＡＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で成膜する際には、被成膜面である基板表面の加熱、または空間加熱などの影響で、ソースとなるターゲットなどの組成と膜の組成とが異なる場合がある。例えば、酸化亜鉛は、酸化インジウムや酸化ガリウムなどと比べて昇華しやすいため、ソースと膜との組成のずれが生じやすい。したがって、あらかじめ組成の変化を考慮したソースを選択することが好ましい。なお、ソースと膜との組成のずれ量は、温度以外にも圧力や成膜に用いるガスなどの影響でも変化する。

【0166】

また、ＣＡＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で成膜する際は、多結晶構造を含むターゲットを用いることが好ましい。

【0167】

〈〈トランジスタの構成例２〉〉
図４において、トランジスタに１つのゲート電極が設けられている場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。トランジスタに複数のゲート電極が設けられていてもよい。一例として、図４に示したトランジスタ６００に、第２のゲート電極として導電膜６８１が設けられている例を、図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）に示す。図６（Ａ）は上面図であり、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図６（Ｂ）に相当し、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図６（Ｃ）に相当し、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図６（Ｄ）に相当する。なお、図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。

【0168】

図６は、基板６４０と絶縁膜６５２との間に、絶縁膜６５１、導電膜６８１及び絶縁膜６８２を有している点で、図４と異なる。

【0169】

絶縁膜６５１は、基板６４０と導電膜６８１を電気的に分離させる機能を有する。絶縁膜６５１には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いてもよい。また、絶縁膜６５１には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いてもよい。また、絶縁膜６５１は上記材料の積層であってもよい。

【0170】

導電膜６８１は、導電膜６７３の説明で記載された材料を用いることができる。導電膜６８１は、第２のゲート電極としての機能を有する。導電膜６８１は、一定の電位が供給されていてもよいし、導電膜６７３と同じ電位や、同じ信号が供給されていてもよい。

【0171】

絶縁膜６８２は、絶縁膜６５２に含まれる酸素が、導電膜６８１に含まれる金属と結びつき、絶縁膜６５２に含まれる酸素が減少することを防ぐ機能を有する。絶縁膜６８２は、絶縁膜６５４の説明で記載された材料を用いることができる。

【0172】

〈〈トランジスタの構成例３〉〉
図４に示すトランジスタ６００は、半導体６６３及び絶縁膜６５３を、導電膜６７３と同時にエッチングしてもよい。一例として、図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）に示す。図７（Ａ）は上面図であり、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図７（Ｂ）に相当し、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図７（Ｃ）に相当し、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図７（Ｄ）に相当する。なお、図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。

【0173】

図７では、半導体６６３及び絶縁膜６５３が、導電膜６７３の下のみに存在し、それ以外の場所では除去されているようすがわかる。

【0174】

〈〈トランジスタの構成例４〉〉
図４に示すトランジスタ６００は、導電膜６７１及び導電膜６７２が、半導体６６１の側面及び半導体６６２の側面と接していてもよい。一例として、図８（Ａ）乃至図８（Ｄ）に示す。図８（Ａ）は上面図であり、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２方向の断面が図８（Ｂ）に相当し、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２方向の断面が図８（Ｃ）に相当し、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ３−Ｘ４方向の断面が図８（Ｄ）に相当する。なお、図８（Ａ）乃至図８（Ｄ）では、図の明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。

【0175】

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0176】

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に適用可能な、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い記憶装置の一例を、図面を参照して説明する。

【0177】

図９（Ａ）に示す回路はメモリセルとして機能することができる。図９（Ａ）に示すメモリセルは、第１の半導体材料を用いたトランジスタ７０１と第２の半導体材料を用いたトランジスタ７００、および容量素子７０５を有している。なお、トランジスタ７００としては、実施の形態２で説明したトランジスタを用いることができる。

【0178】

トランジスタ７００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるｎチャネル型トランジスタである。トランジスタ７００は、オフ電流が小さいため、これを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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。

【0179】

図９（Ａ）では、トランジスタ７０１をｎチャネル型トランジスタとして説明を行う。

【0180】

図９（Ａ）において、配線ＳＬはトランジスタ７０１のソース及びドレインの一方に電気的に接続され、配線ＢＬはトランジスタ７０１のソース及びドレインの他方に電気的に接続されている。また、配線ＢＬはトランジスタ７００のソース及びドレインの一方に電気的に接続され、配線ＧＬはトランジスタ７００のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ７０１のゲート、トランジスタ７００のソース及びドレインの他方及び容量素子７０５の第１の端子は、ノードＦＧに電気的に接続されている。配線ＣＬは容量素子７０５の第２の端子に電気的に接続されている。

【0181】

図９（Ａ）に示すメモリセルでは、トランジスタ７０１のゲートの電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

【0182】

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線ＧＬの電位を、トランジスタ７００がオン状態となる電位にして、トランジスタ７００をオン状態とする。これにより、配線ＢＬの電位が、ノードＦＧに与えられる。すなわち、ノードＦＧには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、配線ＧＬの電位を、トランジスタ７００がオフ状態となる電位にして、トランジスタ７００をオフ状態とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷が保持される（保持）。

【0183】

トランジスタ７００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ７０１のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。

【0184】

次に、情報の読み出しについて説明する。配線ＳＬに所定の電位（定電位）を与え、配線ＢＬを電気的に浮遊状態にした後、配線ＣＬに適切な電位（読み出し電位）を与えると、ノードＦＧに保持された電荷量に応じて、配線ＳＬから配線ＢＬへ電流が流れ込み、配線ＢＬの電位は変化する。一般に、トランジスタ７０１をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合のトランジスタ７０１の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合のトランジスタ７０１の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなる。見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ７０１を「オン状態」とするために必要な配線ＣＬの電位をいうものとする。したがって、配線ＣＬの電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることにより、トランジスタ７０１のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線ＣＬの電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ７０１は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線ＣＬの電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ７０１は「オフ状態」のままである。このため、配線ＢＬの電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。

【0185】

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ７０１が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより小さい電位を配線ＣＬに与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ７０１が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより大きい電位を配線ＣＬに与えればよい。

【0186】

図９（Ｂ）に示すように、トランジスタ７０１はｐチャネル型トランジスタでもよい。

【0187】

図９（Ｃ）に示すメモリセルは、トランジスタ７０１を設けていない点で図９（Ａ）及び図９（Ｂ）と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。

【0188】

次に、図９（Ｃ）に示すメモリセルの情報の読み出しについて説明する。トランジスタ７００がオン状態となると、浮遊状態である配線ＢＬと容量素子７０５とが導通し、配線ＢＬと容量素子７０５の間で電荷が再分配される。その結果、配線ＢＬの電位が変化する。配線ＢＬの電位の変化量は、容量素子７０５の第１の端子の電位（または容量素子７０５に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。

【0189】

例えば、容量素子７０５の第１の端子の電位をＶ、容量素子７０５の容量をＣ、配線ＢＬが有する容量成分をＣ_Ｂ、電荷が再分配される前の配線ＢＬの電位をＶ_Ｂ０とすると、電荷が再分配された後の配線ＢＬの電位は、（Ｃ_Ｂ×Ｖ_Ｂ０＋Ｃ×Ｖ）／（Ｃ_Ｂ＋Ｃ）となる。従って、メモリセルの状態として、容量素子７０５の第１の端子の電位がＶ_１とＶ_０（Ｖ_１＞Ｖ_０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ_１を保持している場合の配線ＢＬの電位（＝（Ｃ_Ｂ×Ｖ_Ｂ０＋Ｃ×Ｖ_１）／（Ｃ_Ｂ＋Ｃ））は、電位Ｖ_０を保持している場合の配線ＢＬの電位（＝（Ｃ_Ｂ×Ｖ_Ｂ０＋Ｃ×Ｖ_０）／（Ｃ_Ｂ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。

【0190】

そして、配線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。

【0191】

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ７００として第２の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。

【0192】

本実施の形態に示すメモリセルでは、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

【0193】

また、本実施の形態に示すメモリセルでは、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。

【0194】

図１０は、図９（Ａ）に示す半導体装置の構成の一例を示す断面図である。また、図１０は、各トランジスタのチャネル長方向の断面構造を示している。

【0195】

図１０に示す半導体装置は、トランジスタ７００と、トランジスタ７０１と、容量素子７０５と、基板７３０と、素子分離層７３１と、絶縁膜７３２と、絶縁膜７３３と、プラグ７１１と、プラグ７１２と、プラグ７１３と、プラグ７１４と、プラグ７１５と、配線７２１と、配線７２２と、配線７２３と、配線７２４と、配線７４１とを有している。なお、図１０のある一つの構成要素に符号を与えた場合、該構成要素と同一の層に形成されている同じ構成要素は、煩雑さを避けるために符号の記載を省略している。

【0196】

トランジスタ７００は、実施の形態２に記載のトランジスタを適用することができる。

【0197】

トランジスタ７０１は、ソース領域又はドレイン領域として機能する不純物領域７５１及び不純物領域７５５と、ゲート電極７５２と、ゲート絶縁膜７５３と、側壁絶縁層７５４と、を有している。

【0198】

トランジスタ７０１は第１の半導体材料を有し、トランジスタ７００は第２の半導体材料を有している。第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体など）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、実施の形態２で例示したトランジスタを適用することで、優れたサブスレッショルド特性が得られ、微細なトランジスタとすることが可能である。また、スイッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電流が小さい。

【0199】

トランジスタ７０１は、ｎチャネル型のトランジスタまたはｐチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。

【0200】

また、トランジスタ７０１は、側壁絶縁層７５４の下に、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域やエクステンション領域として機能する不純物領域を設けてもよい。特に、トランジスタ７０１をｎチャネル型とする場合は、ホットキャリアによる劣化を抑制するため、ＬＤＤ領域やエクステンション領域を設けることが好ましい。

【0201】

また、トランジスタ７０１としてシリサイド（サリサイド）を有するトランジスタや、側壁絶縁層７５４を有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド（サリサイド）を有する構造であると、ソース領域およびドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。

【0202】

配線７４１は、トランジスタ７００の第２のゲートとして機能するが、場合によっては、配線７４１を省略してもよい。

【0203】

容量素子７０５は、第１の電極７２５と、第２の電極７２６と、絶縁膜７３４を含む。

【0204】

基板７３０としては、シリコンや炭化シリコンから成る単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムから成る化合物半導体基板や、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができる。半導体基板を用いて形成されたトランジスタは、高速動作が容易である。なお、基板７３０としてｐ型の単結晶シリコン基板を用いた場合、基板７３０の一部にｎ型を付与する不純物元素を添加してｎ型のウェルを形成し、ｎ型のウェルが形成された領域にｐ型のトランジスタを形成することも可能である。ｎ型を付与する不純物元素としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等を用いることができる。ｐ型を付与する不純物元素としては、ボロン（Ｂ）等を用いることができる。

【0205】

また、基板７３０として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルム、などを用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。金属基板の一例としては、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板などがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。

【0206】

なお、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置してもよい。半導体素子が転置される基板の一例としては、上述した基板に加え、セロファン基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。

【0207】

トランジスタ７０１は、素子分離層７３１により、基板７３０に形成される他のトランジスタと分離されている。素子分離層７３１は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。

【0208】

配線７４１は、配線７４１は、配線７２１乃至７２３に用いることができる材料で形成してもよい。なお、場合によっては、配線７４１を省略してもよい。配線７２４は、トランジスタ７００のソースまたはドレインと、同一の材料で形成することができる。

【0209】

ここで、下層に設けられるトランジスタ７０１にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ７０１の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ７０１の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ７００に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ７００の半導体膜の近傍に設けられる絶縁膜中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ７００の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ７０１の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ７００を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁膜７３２を設けることは特に効果的である。絶縁膜７３２により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ７０１の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ７００の信頼性も同時に向上させることができる。

【0210】

絶縁膜７３２としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。

【0211】

また、酸化物半導体膜を含んで構成されるトランジスタ７００を覆うように、トランジスタ７００上に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁膜７３３を形成することが好ましい。絶縁膜７３３としては、絶縁膜７３２と同様の材料を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物および酸素の双方に対して膜を透過させない遮断（ブロッキング）効果が高い。したがって、トランジスタ７００を覆う絶縁膜７３３として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ７００に含まれる酸化物半導体膜からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体膜への水および水素の混入を防止することができる。

【0212】

プラグ７１１乃至７１５は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、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。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

【0213】

配線７２１乃至７２３、配線７４１及び電極７２５、７２６は、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、またはこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層または積層とすることが好ましい。特に、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、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。さらに、Ｃｕ−Ｍｎ合金を用いると、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

【0214】

配線７２４は、トランジスタ７００のソースまたはドレインと同じ製造工程で形成することができる。

【0215】

図１０において、容量素子７０５は、トランジスタ７０１及びトランジスタ７００の上に形成されているが、容量素子７０５は、トランジスタ７０１よりも上、且つトランジスタ７００よりも下に形成してもよい。

【0216】

また、必要に応じて、トランジスタ７００の上に、実施の形態２で示したトランジスタをさらに形成してもよい。

【0217】

図１０において、符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は絶縁体で構成された領域を表している。これらの領域には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。

【0218】

ここで、トランジスタ７０１に換えて図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すようなトランジスタ７０３を用いてもよい。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂを通り、図１１（Ａ）と垂直な面の断面を示す。トランジスタ７０３はチャネルが形成される半導体層７５６（半導体基板の一部）が凸形状を有し、その側面及び上面に沿ってゲート絶縁膜７５３及びゲート電極７５２が設けられている。またトランジスタの間には素子分離層７３１が設けられている。このようなトランジスタ７０３は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁膜を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体層を形成してもよい。

【0219】

また、我々の研究では、ＯＳトランジスタにおける電子移動度のチャネル長依存性は、Ｓｉトランジスタにおける電子移動度のチャネル長依存性ほど影響が大きくないことが分かっている。ＯＳトランジスタは、チャネル長を１０μｍから１００ｎｍまで微細化しても、電界効果移動度の明確な低下がみられない。

【0220】

そのためＯＳトランジスタを１０μｍ以下のチャネル長のトランジスタに用いる場合、Ｓｉトランジスタとの電界効果移動度の差はトランジスタのチャネル長を１０μｍ以上としたときよりも小さくなる。ＯＳトランジスタを１００ｎｍ以下のチャネル長のトランジスタに用いる場合、Ｓｉトランジスタの３０分の１程度、好ましくは１０分の１程度、より好ましくは３分の１程度の電界効果移動度まで差を縮めることが可能である。

【0221】

そのため、ＯＳトランジスタを１００ｎｍ世代のトランジスタに用いる場合、Ｓｉトランジスタと同程度の電界効果移動度を実現することが可能である。そのため、微細加工されたＯＳトランジスタでは、Ｓｉトランジスタと同等のスイッチング速度、周波数特性を実現することが可能である。

【0222】

また、ＯＳトランジスタは、オフ電流が低い特性を有する。ＯＳトランジスタを用いた回路においては、オフ電流が低いことで電荷を保持するための容量を小さくすることができる。そのため、微細加工されたＯＳトランジスタでは、Ｓｉトランジスタと同等のスイッチング速度、周波数特性を実現することが可能である。

【0223】

本実施の形態の構成は、他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。

【0224】

（実施の形態４）
本発明の一態様に係る記憶装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る記憶装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１２に示す。

【0225】

図１２（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカ９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図１２（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。

【0226】

図１２（Ｂ）は、携帯電話機であり、筐体９１１、表示部９１６、操作ボタン９１４、外部接続ポート９１３、スピーカ９１７、マイク９１２などを備えている。図１２（Ｂ）に示す携帯電話機は、指などで表示部９１６に触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指などで表示部９１６に触れることにより行うことができる。また、操作ボタン９１４の操作により、電源のＯＮ、ＯＦＦ動作や、表示部９１６に表示される画像の種類を切り替えることができる。例えば、メール作成画面から、メインメニュー画面に切り替えることができる。

【0227】

図１２（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。

【0228】

図１２（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。

【0229】

図１２（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。

【0230】

図１２（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。

【0231】

また、本発明の一態様に係る記憶装置は、メモリカード等の記録媒体に用いることができる。図１３に示すのは、ＵＳＢコネクタを有するメモリカード（通称、ＵＳＢメモリ、あるいはＵＳＢ Ｓｔｉｃｋ、Ｐｅｎ Ｄｒｉｖｅ等とも言う）１７３０である。メモリカード１７３０は主たる筐体１７３１とキャップ１７３２を有する。筐体１７３１には、基板１７３３とＵＳＢコネクタ１７３７が設けられる。基板１７３３には、本発明の一態様である記憶装置１７３５を設ける。また、基板１７３３上には必要に応じて制御回路等を設けてもよい。メモリカード１７３０は、必要に応じて、バッテリーなどの電源を備えてもよい。

【0232】

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態または実施例と適宜組み合わせることができる。

【0233】

（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る記憶装置が用いられるＲＦタグの使用例について図１４を用いながら説明する。ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図１４（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図１４（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図１４（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図１４（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札（図１４（Ｅ）、図１４（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。

【0234】

本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るＲＦタグを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るＲＦタグを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。

【0235】

以上のように、本発明の一態様に係わるＲＦタグを本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。

【0236】

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0237】

１００ 記憶装置
１０１ コントローラ
１０２ アドレスバッファ
１０３ ローデコーダ
１０４ カラムデコーダ
１０５ 回路
１０６ メモリ
１０７ データインバッファ
１０８ データアウトバッファ
１０９ メモリセル
１１１ 電源ＯＮ検出回路
１１２ カウンタ回路
１１３ モード選択回路
１１４ Ｉ／Ｏ制御回路
１１５ リフレッシュプログラム回路
１１６ アドレス指定回路
６００ トランジスタ
６４０ 基板
６５１ 絶縁膜
６５２ 絶縁膜
６５３ 絶縁膜
６５４ 絶縁膜
６５５ 絶縁膜
６６０ 半導体
６６１ 半導体
６６２ 半導体
６６３ 半導体
６７１ 導電膜
６７２ 導電膜
６７３ 導電膜
６８１ 導電膜
６８２ 絶縁膜
７００ トランジスタ
７０１ トランジスタ
７０３ トランジスタ
７０５ 容量素子
７１１ プラグ
７１２ プラグ
７１３ プラグ
７１４ プラグ
７１５ プラグ
７２１ 配線
７２２ 配線
７２３ 配線
７２４ 配線
７２５ 電極
７２６ 電極
７３０ 基板
７３１ 素子分離層
７３２ 絶縁膜
７３３ 絶縁膜
７３４ 絶縁膜
７４１ 配線
７５１ 不純物領域
７５２ ゲート電極
７５３ ゲート絶縁膜
７５４ 側壁絶縁層
７５５ 不純物領域
７５６ 半導体層
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカ
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ マイク
９１３ 外部接続ポート
９１４ 操作ボタン
９１６ 表示部
９１７ スピーカ
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１７３０ メモリカード
１７３１ 筐体
１７３２ キャップ
１７３３ 基板
１７３５ 記憶装置
１７３７ ＵＳＢコネクタ
４０００ ＲＦタグ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】