特開 2023-140355 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023140355

(43)【公開日】2023-10-04

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/56 20060101AFI20230927BHJP

【ＦＩ】

G05F1/56 310C

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023103042

(22)【出願日】2023-06-23

(62)【分割の表示】P 2020560633の分割

【原出願日】2019-11-18

(31)【優先権主張番号】P 2018239966

(32)【優先日】2018-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019006545

(32)【優先日】2019-01-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ［刊行物名］ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ ｍｅｅｔｉｎｇ ２０１８ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ， ３１２－３１５ 発行年月日 平成３０年１２月１日 ［集会名］ ２０１８ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ 開催日 平成３０年１２月１日－５日

(71)【出願人】

【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】佐藤 圭太

(72)【発明者】

【氏名】八窪 裕人

(72)【発明者】

【氏名】及川 欣聡

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

(57)【要約】

【課題】低消費電力の半導体装置を提供すること。
【解決手段】制御回路と出力トランジスタの間に保持トランジスタを設ける。制御回路の出力端子は、保持トランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、保持トランジスタのソース又はドレインの他方は、出力トランジスタのゲートと電気的に接続される。保持トランジスタのソース又はドレインの他方と出力トランジスタのゲートが電気的に接続されるノードを保持ノードとする。保持トランジスタをオン状態とすると、制御回路から出力される電位に対応する電位が保持ノードに書き込まれる。その後、保持トランジスタをオフ状態とすると、保持ノードの電位が保持される。よって、制御回路をオフとしても、出力トランジスタのゲート電位を一定値に保つことができる。したがって、制御回路をオフとしても、例えば出力トランジスタのソース又はドレインの一方から定電位を出力し続けることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

オペアンプ回路と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記オペアンプ回路の出力端子は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第１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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一態様は、半導体装置、並びに電子機器及び人工衛星に関する。

【0002】

なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、又は、製造方法に関するものである。又は、本発明の一態様は、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）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書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、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、信号処理装置、プロセッサ、電子機器、システム、それらの動作方法、それらの製造方法、又はそれらの検査方法を一例として挙げることができる。

【0003】

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（液晶表示装置、発光表示装置等）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、信号処理装置、送受信装置、無線センサ、及びセンサ装置等は、半導体装置を有すると言える場合がある。

【背景技術】

【0004】

定電位を出力することができる半導体装置として、例えばＤＣ－ＤＣコンバータが挙げられる。また、ＤＣ－ＤＣコンバータの一種としてリニアレギュレータが挙げられる。ここで、入出力間電位差が小さくても動作するリニアレギュレータである、低ドロップアウトレギュレータ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐ Ｏｕｔ：ＬＤＯ）が開発されている（例えば、特許文献１）。

【0005】

また、低消費電力の半導体装置が求められている。特に、人工衛星等、宇宙用途の装置は電力の供給が制限される場合があるため、宇宙用途の装置に設けられる半導体装置は低消費電力であることが好ましい。特許文献２には、消費電力を低減した耐故障システムが開示されており、当該システムは宇宙船、人工衛星等で使用することができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４－３６５４３号公報

【特許文献2】特開２０１２－１３０２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

リニアレギュレータは、オペアンプ回路を有する構成とすることができる。この場合、リニアレギュレータが電位を出力している期間は、オペアンプ回路に電流が流れ続け、リニアレギュレータの消費電力が大きくなる。

【0008】

したがって、本発明の一態様では、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。又は、安定して動作させることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。又は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。又は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。

【0009】

又は、低消費電力の半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。又は、安定して動作させることができる半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。又は、信頼性の高い半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。又は、新規な半導体装置の動作方法を提供することを課題の一つとする。

【0010】

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項等の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、オペアンプ回路と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、オペアンプ回路の出力端子は、第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第２のトランジスタのゲートと電気的に接続されている半導体装置である。

【0012】

又は、上記態様において、第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、オペアンプ回路の入力端子と電気的に接続してもよい。

【0013】

又は、上記態様において、第３のトランジスタと、容量素子と、を有し、第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第１のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、容量素子の一方の電極は、第３のトランジスタのソース及びドレインと電気的に接続されていてもよい。

【0014】

又は、上記態様において、第１のトランジスタのゲートには、第１の信号が供給され、第３のトランジスタのゲートには、第２の信号が供給され、第１の信号と、第２の信号と、は互いに相補的な信号であってもよい。

【0015】

又は、本発明の一態様は、オペアンプ回路と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、電流源と、を有し、オペアンプ回路の出力端子は、第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、オペアンプ回路の第１の電源端子は、第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、オペアンプ回路の第１の電源端子は、第４のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、電流源と電気的に接続され、第４のトランジスタのソース又はドレインの他方は、電源線と電気的に接続されている半導体装置である。

【0016】

又は、上記態様において、第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、オペアンプ回路の入力端子と電気的に接続されていてもよい。

【0017】

又は、上記態様において、第５のトランジスタと、容量素子と、を有し、第５のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第１のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、第５のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、容量素子の一方の電極は、第５のトランジスタのソース及びドレインと電気的に接続されていてもよい。

【0018】

又は、上記態様において、第１のトランジスタのゲートには、第１の信号が供給され、第５のトランジスタのゲートには、第２の信号が供給され、第３のトランジスタのゲートには、第３の信号が供給され、第４のトランジスタのゲートには、第４の信号が供給され、第１の信号と、第２の信号と、は互いに相補的な信号であり、第３の信号と、第４の信号と、は互いに相補的な信号であってもよい。

【0019】

又は、上記態様において、第１のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有してもよい。

【0020】

本発明の一態様の半導体装置と、筐体と、を有する電子機器も本発明の一態様である。

【0021】

又は、本発明の一態様の半導体装置と、ソーラーパネルと、を有する人工衛星も本発明の一態様である。

【発明の効果】

【0022】

したがって、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。又は、安定して動作させることができる半導体装置を提供することができる。又は、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。又は、新規な半導体装置を提供することができる。

【0023】

又は、低消費電力の半導体装置の動作方法を提供することができる。又は、安定して動作させることができる半導体装置の動作方法を提供することができる。又は、信頼性の高い半導体装置の動作方法を提供することができる。又は、新規な半導体装置の動作方法を提供することができる。

【0024】

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、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項等の記載から、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】

【0025】

【図1】図１Ａ及び図１Ｂは、半導体装置の構成例を説明するブロック図である。

【図2】図２Ａ及び図２Ｂは、半導体装置の構成例を説明するブロック図である。

【図3】図３Ａ及び図３Ｂは、半導体装置の構成例を説明するブロック図である。

【図4】図４は、半導体装置の構成例を説明する回路図である。

【図5】図５は、半導体装置の構成例を説明する回路図である。

【図6】図６は、半導体装置の構成例を説明する回路図である。

【図7】図７は、半導体装置の構成例を説明する回路図である。

【図8】図８は、半導体装置の動作方法の一例を説明するタイミングチャートである。

【図9】図９は、半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。

【図10】図１０は、半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。

【図11】図１１Ａ乃至図１１Ｃは、トランジスタの構成例を説明する断面模式図である。

【図12】図１２Ａ及び図１２Ｂは、トランジスタの構成例を説明する断面模式図である。

【図13】図１３は、半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。

【図14】図１４Ａ及び図１４Ｂは、トランジスタの構成例を説明する断面模式図である。

【図15】図１５は、半導体装置の構成例を説明する断面模式図である。

【図16】図１６Ａ及び図１６Ｂは、トランジスタの構成例を説明する断面模式図である。

【図17】図１７Ａ及び図１７Ｂは、半導体ウェハの一例を示す斜視図である。図１７Ｃ及び図１７Ｄは、電子部品の一例を示す斜視図である。

【図18】図１８は、製品の一例を説明する斜視図、及び模式図である。

【図19】図１９は、実施例に係る半導体装置の構成を示す回路図である。

【図20】図２０Ａ及び図２０Ｂは、実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図21】図２１は、実施例に係る半導体装置の構成を示す回路図である。

【図22】図２２Ａ乃至図２２Ｃは、実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。したがって、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。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。

【0027】

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲等は、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲等を表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも図面等に開示された位置、大きさ、範囲等に限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチング等の処理によりレジストマスク等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図に反映しないことがある。

【0028】

また、上面図（「平面図」ともいう）や斜視図等において、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。

【0029】

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合等も含む。

【0030】

また、本明細書等において、「抵抗」の抵抗値を、配線の長さによって決める場合がある。又は、抵抗値は、配線で用いる導電層とは異なる抵抗率を有する導電層と接続することにより決める場合がある。又は、半導体層に不純物をドーピングすることで抵抗値を決める場合がある。

【0031】

また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流又は電圧の入力又は出力や、信号の受信又は送信が行なわれる部位をいう。よって、配線又は電極の一部が端子として機能する場合がある。

【0032】

なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。

【0033】

また、ソース及びドレインの機能は、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等、動作条件等によって互いに入れ替わるため、いずれがソース又はドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書等においては、ソース及びドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

【0034】

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。また、「直接接続」と表現される場合であっても、異なる導電層がコンタクトを介して接続される場合が含まれる。なお、配線には、異なる導電層が一つ以上の同じ元素を含む場合と、異なる元素を含む場合と、がある。

【0035】

なお、本明細書等において、計数値及び計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」、又は「均一」等という場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。

【0036】

また、本明細書等において、レジストマスクを形成した後にエッチング処理を行う場合は、特段の説明がない限り、レジストマスクはエッチング処理終了後に除去するものとする。

【0037】

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位又はソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書等では、特段の明示が無い限り、電圧と電位を言い換えることができるものとする。

【0038】

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。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書等に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

【0039】

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書等に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

【0040】

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、工程順又は積層順等、何らかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲等において序数詞を省略する場合がある。

【0041】

なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態（「導通状態」ともいう。）をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態（「非導通状態」ともいう。）をいう。

【0042】

また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。

【0043】

また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極及びゲート配線の一部又は全部のことをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0044】

また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、及びソース配線の一部又は全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0045】

また、本明細書等において、ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部又は全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0046】

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ又は単にＯＳともいう）等に分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物又は酸化物半導体を有するトランジスタと言い換えることができる。

【0047】

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。

【0048】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成例、及びその動作方法の一例について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は、本実施の形態に示す構成例に限られない。また、各構成は適宜組み合わせて用いることができる。

【0049】

本発明の一態様は、制御回路と、出力トランジスタと、の間に保持トランジスタを設けた半導体装置である。制御回路は、オペアンプを有する構成とすることができる。本発明の一態様の半導体装置は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータ、例えばリニアレギュレータ等の、定電位を出力し続ける機能を有する半導体装置に適用することができる。本発明の一態様の半導体装置が定電位を出力し続ける機能を有する場合、当該定電位は、出力トランジスタのソース又はドレインから出力することができる。

【0050】

本発明の一態様の半導体装置において、例えば、制御回路の出力端子は、保持トランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、保持トランジスタのソース又はドレインの他方は、出力トランジスタのゲートと電気的に接続される。制御回路は、例えば比較回路を有し、比較回路の出力端子を制御回路の出力端子とすることができる。

【0051】

本発明の一態様の半導体装置では、保持トランジスタのソース又はドレインの他方と、出力トランジスタのゲートと、が電気的に接続されるノードを保持ノードとする。保持トランジスタをオン状態とすると、制御回路から出力される電位に対応する電位が保持ノードに書き込まれる。その後、保持トランジスタをオフ状態とすると、保持ノードの電位が保持される。よって、制御回路をオフとしても、出力トランジスタのゲート電位を一定値に保つことができる。したがって、制御回路をオフとしても、例えば出力トランジスタのソース又はドレインから定電位を出力し続けることができる。以上より、制御回路等の内部で消費される電流である自己消費電流を低減することができるため、本発明の一態様の半導体装置の消費電力を低減することができる。

【0052】

ここで、保持トランジスタは、ＯＳトランジスタ等のオフ電流が極めて低いトランジスタとすることが好ましい。これにより、保持ノードに長期間電位を保持し続けることができる。したがって、保持ノードへの電位の書き込みの頻度を低下させることができるため、本発明の一態様の半導体装置の消費電力を低減することができる。

【0053】

＜半導体装置の構成例＞
図１Ａは、本発明の一態様の半導体装置である半導体装置１０の構成例を示す図である。半導体装置１０は、制御回路２０と、電源スイッチ回路２１と、トランジスタ２２と、トランジスタ２３と、を有する。トランジスタ２２は、制御回路２０と、トランジスタ２３と、の間に設けることができる。

【0054】

制御回路２０は、例えば第１の電源端子と、第２の電源端子と、第１の入力端子と、第２の入力端子と、出力端子と、を有する構成とすることができる。例えば、制御回路２０の第１の電源端子は、配線１１と電気的に接続することができる。例えば、制御回路２０の第２の電源端子は、電源スイッチ回路２１と電気的に接続することができる。例えば、制御回路２０の第１の入力端子は、配線１５と電気的に接続することができる。例えば、制御回路２０の第２の入力端子は、配線１６と電気的に接続することができる。例えば、制御回路２０の出力端子は、トランジスタ２２のソース又はドレインの一方と電気的に接続することができる。ここで、制御回路２０の出力端子と、トランジスタ２２のソース又はドレインの一方と、が電気的に接続されているノードをノードＮＷとする。

【0055】

本明細書等において、第１の電源端子という用語と、第２の電源端子という用語は、必要に応じて、又は適宜入れ替えることができる。例えば、制御回路２０の第２の電源端子に配線１１を電気的に接続し、制御回路２０の第１の電源端子に電源スイッチ回路２１を電気的に接続してもよい。また、本明細書等において、第１の入力端子という用語と、第２の入力端子という用語は、必要に応じて、又は適宜入れ替えることができる。例えば、制御回路２０の第２の入力端子に配線１５を電気的に接続し、制御回路２０の第１の入力端子に配線１６を電気的に接続してもよい。

【0056】

配線１６は、制御回路２０の第２の入力端子の他、トランジスタ２３のソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。また、トランジスタ２２のソース又はドレインの他方は、トランジスタ２３のゲートと電気的に接続されている。さらに、トランジスタ２３のソース又はドレインの他方は、配線１２と電気的に接続されている。ここで、トランジスタ２２のソース又はドレインの他方と、トランジスタ２３のゲートと、が電気的に接続されているノードをノードＮＨとする。

【0057】

配線１１及び配線１２は、電源線としての機能を有する。配線１１及び配線１２の電位は、例えば高電位とすることができる。

【0058】

本明細書等において、高電位は、低電位より高い電位を示す。例えば、低電位が接地電位である場合、正電位を高電位とすることができる。また、例えばソース電位を低電位として、ｎチャネル型トランジスタのゲートに印加した場合に当該トランジスタがオン状態となる電位を高電位とし、オフ状態となる電位を低電位とすることができる。又は、例えばソース電位を高電位として、ｐチャネル型トランジスタのゲートに印加した場合に当該トランジスタがオフ状態となる電位を高電位とし、オン状態となる電位を低電位とすることができる。

【0059】

配線１６は、半導体装置１０の外部に所望の電位を出力する、出力線としての機能を有する。配線１６は、例えば半導体装置１０の外部に設けられている装置と電気的に接続することができる。

【0060】

制御回路２０は、入力端子に供給された電位に対応する電位を、出力端子から出力する機能を有する。ここで、前述のように、第２の入力端子と電気的に接続されている配線１６は出力線としての機能を有する。よって、制御回路２０はフィードバック制御されるということができる。これにより、制御回路２０は、第１の入力端子と電気的に接続されている配線１５の電位と対応する電位を出力することができる。ここで、配線１５の電位は、例えば参照電位ということができる。

【0061】

電源スイッチ回路２１は、制御回路２０に供給する電流、又は電位を制御することにより、制御回路２０のオンオフを制御することができる。ここで、制御回路２０がオンになっているとは、制御回路２０が所望の電位を出力することができる状態にあることをいい、制御回路２０がオフになっているとは、制御回路２０が所望の電位を出力することができる状態にないことをいう。例えば、制御回路２０がオンになっている場合には、制御回路２０は配線１５の電位に対応する電位を出力し、制御回路２０がオフになっている場合には、制御回路２０が出力する電位は配線１５の電位に対応しない電位となる。

【0062】

トランジスタ２２は、ノードＮＨへの電位の書き込みを制御する機能を有する。具体的には、トランジスタ２２がオン状態となっている場合は、制御回路２０から出力される電位がノードＮＨに書き込まれ、トランジスタ２２がオフ状態となっている場合は、ノードＮＨの電位が保持される。つまり、トランジスタ２２は、保持トランジスタであるということができる。

【0063】

トランジスタ２２は、オフ電流が極めて低いトランジスタを用いることが好ましい。これにより、ノードＮＨで電位を保持できる期間を極めて長くすることができる。オフ電流が極めて低いトランジスタとして、ＯＳトランジスタが挙げられる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０^－２０Ａ未満、好ましくは１×１０^－２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０^－２４Ａ未満とすることができる。

【0064】

また、ＯＳトランジスタは、半導体層にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタともいう。）に比べて高温環境下における電気特性が優れている。よって、トランジスタ２２等、本発明の一態様の半導体装置が有するトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の良好な半導体装置を実現できる。

【0065】

トランジスタ２３は、ノードＮＨの電位に対応する電位を、配線１６に出力する機能を有する。つまり、トランジスタ２３は、出力トランジスタであるということができる。トランジスタ２３は、例えばｐチャネル型トランジスタとすることができる。トランジスタ２３は、例えばＳｉトランジスタとすることができる。また、トランジスタ２３以外でも、半導体装置１０が有するトランジスタとしてＳｉトランジスタを用いることができる。

【0066】

前述のように、制御回路２０から出力される電位は配線１５の電位に対応する電位とすることができ、ノードＮＨには制御回路２０から出力される電位が書き込まれて保持される。そして、配線１６の電位は、ノードＮＨの電位に対応する電位となる。以上より、配線１６の電位は、配線１５の電位に対応する電位とすることができる。例えば、配線１６の電位は、配線１５の電位と同一、又は概略同一の電位とすることができる。

【0067】

半導体装置１０では、制御回路２０をオンとし、トランジスタ２２をオン状態とすることにより、制御回路２０から出力される電位がノードＮＨに書き込まれる。その後、トランジスタ２２をオフ状態としてノードＮＨの電位を保持することにより、制御回路２０をオフとしても半導体装置１０は配線１６から所望の電位を出力し続けることができる。以上により、制御回路２０等の内部で消費される電流である自己消費電流を低減することができるため、半導体装置１０の消費電力を低減することができる。

【0068】

半導体装置１０は、例えば定電位を出力し続ける機能を有する半導体装置に適用することができる。例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ、リニアレギュレータ等に半導体装置１０を適用することができる。

【0069】

図１Ｂは、図１Ａに示す構成の半導体装置１０の変形例であり、容量素子２４を有する点が図１Ａに示す構成の半導体装置１０と異なる。容量素子２４の容量値は、例えば１００ａＦ以上、１００ｐＦ以下とすることができ、例えば１０ｆＦ以上、５０ｐＦ以下とすることができ、例えば１００ｆＦ以上、１０ｐＦ以下とすることができ、例えば１ｐＦ以上、５ｐＦ以下とすることができる。

【0070】

容量素子２４の一方の電極は、ノードＮＨと電気的に接続されている。容量素子２４の他方の電極は、配線３４と電気的に接続されている。配線３４は電源線としての機能を有する。配線３４の電位は、例えば低電位、例えば接地電位とすることができる。

【0071】

半導体装置１０を図１Ｂに示す構成とすることにより、ノードＮＨに保持できる電荷量を大きくすることができる。よって、ノードＮＨの電位を長期間保持することができる。

【0072】

図２Ａは、図１Ｂに示す構成の半導体装置１０の変形例であり、トランジスタ２６を有する点が図１Ｂに示す構成の半導体装置１０と異なる。図２Ａに示すように、制御回路２０とトランジスタ２３の間に、トランジスタ２２、容量素子２４、及びトランジスタ２６を設けることができる。トランジスタ２６のソース及びドレインは、ノードＮＨと電気的に接続されている。また、トランジスタ２６のゲートは、配線３６と電気的に接続されている。

【0073】

図２Ａに示す構成の半導体装置１０では、例えばトランジスタ２２をオン状態とする場合にはトランジスタ２６をオフ状態とし、トランジスタ２２をオフ状態とする場合にはトランジスタ２６をオン状態とする。これにより、トランジスタ２２をオフ状態とした場合に、容量素子２４等の容量結合によりノードＮＨの電位が変動することを抑制することができる。したがって、配線１６の電位の変動を抑制することができ、半導体装置１０を安定して動作させることができる。特に、半導体装置１０をＤＣ－ＤＣコンバータ、リニアレギュレータ等に適用する場合、半導体装置１０の出力電位に高い精度が求められるため、ノードＮＨの電位がなるべく変動しないようにすることが好ましい。よって、特に半導体装置１０をＤＣ－ＤＣコンバータ、リニアレギュレータ等に適用する場合には、半導体装置１０にトランジスタ２６を設けることが好ましい。

【0074】

図２Ｂは、図２Ａに示す構成の半導体装置１０の変形例であり、容量素子２８を有する点が図２Ａに示す構成の半導体装置１０と異なる。容量素子２８の容量値は、例えば容量素子２４の容量値以上とすることができる。

【0075】

容量素子２８の一方の電極はノードＮＨと電気的に接続され、容量素子２８の他方の電極は配線１６と電気的に接続されている。

【0076】

半導体装置１０が容量素子２８を有さない場合、トランジスタ２３をｐチャネル型トランジスタとすると、ノードＮＨの電位が大きくなると配線１６の電位は小さくなり、ノードＮＨの電位が小さくなると配線１６の電位は大きくなる。そこで、半導体装置１０に容量素子２８を設けると、容量素子２８の一方の電極の電位が大きくなると容量素子２８の他方の電極の電位が大きくなり、容量素子２８の一方の電極の電位が小さくなると容量素子２８の他方の電極の電位が小さくなる。よって、ノードＮＨの電位の変動による配線１６の電位の変動を相殺することができる。これにより、ノードＮＨの電位が変動した場合に配線１６の電位が変動することを抑制することができ、半導体装置１０を安定して動作させることができる。なお、容量素子２８の容量値が大きいほど、ノードＮＨの電位が変動した場合に配線１６の電位が変動することを抑制する効果が大きくなるため、半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0077】

また、容量素子２８は、容量素子２４と同様の機能を有することができる。つまり、例えばノードＮＨの電位を保持する機能を有する。よって、半導体装置１０が容量素子２８を有する場合、半導体装置１０は容量素子２４を有しない構成とすることができる。又は、容量素子２４の容量値を小さくすることができる。

【0078】

図３Ａは、図２Ａに示す構成の半導体装置１０の変形例であり、トランジスタ２３を有さず、トランジスタ４１及びトランジスタ４２を有する点が図２Ａに示す構成の半導体装置１０と異なる。図３Ａに示すように、制御回路２０とトランジスタ４２の間に、トランジスタ２２、容量素子２４、及びトランジスタ２６を設けることができる。

【0079】

トランジスタ４１のソース又はドレインの一方は、配線１２と電気的に接続されている。トランジスタ４１のソース又はドレインの他方、及びトランジスタ４２のソース又はドレインの一方は、配線１６と電気的に接続されている。トランジスタ４２のソース又はドレインの他方は、配線５２と電気的に接続されている。トランジスタ４１のゲートは、配線５１と電気的に接続されている。トランジスタ４２のゲートは、ノードＮＨと電気的に接続されている。

【0080】

配線５１には、バイアス電位を供給することができる。バイアス電位として、例えば定電位とすることができる。配線５１にバイアス電位を供給することにより、トランジスタ４１は電流源として機能することができる。また、配線５２は電源線としての機能を有する。配線５２の電位は、例えば低電位、例えば接地電位とすることができる。

【0081】

トランジスタ４１及びトランジスタ４２は、例えばｎチャネル型トランジスタとすることができる。配線１２の電位を高電位、配線５２の電位を低電位とすると、トランジスタ４１及びトランジスタ４２をｎチャネル型トランジスタとした場合、ノードＮＨの電位が大きくなると配線１６の電位が小さくなり、ノードＮＨの電位が小さくなると配線１６の電位が大きくなる。つまり、出力トランジスタとしてｐチャネル型のトランジスタを用いなくても、半導体装置１０は出力トランジスタとしてｐチャネル型のトランジスタを用いた場合と例えば同様の動作を行うことができる。

【0082】

トランジスタ４１及びトランジスタ４２をｎチャネル型トランジスタとする場合、トランジスタ４１及びトランジスタ４２として、ＯＳトランジスタを用いることができる。前述のように、ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタに比べて高温環境下における電気特性が優れている。よって、トランジスタ４１及びトランジスタ４２にＯＳトランジスタを用いることで、高温環境下においても配線１６の電位が安定する。したがって、高温環境下においても半導体装置１０から出力される電位が安定し、半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0083】

図３Ｂは、図３Ａに示す構成の半導体装置１０の変形例であり、容量素子２８を有する点が図３Ａに示す構成の半導体装置１０と異なる。図２Ｂに示す構成の半導体装置１０と同様に、容量素子２８の一方の電極はノードＮＨと電気的に接続され、容量素子２８の他方の電極は配線１６と電気的に接続されている。

【0084】

半導体装置１０を図３Ｂに示す構成とすることにより、半導体装置１０を図２Ｂに示す構成とする場合と同様に、半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0085】

図４は、図２Ａに示す半導体装置１０の具体的な構成例を示す回路図である。図４では、制御回路２０、及び電源スイッチ回路２１の回路構成例を示している。

【0086】

制御回路２０は、オペアンプ回路４０を有する。電源スイッチ回路２１は、トランジスタ４４ａと、トランジスタ４４ｂと、電流源４５と、を有する。

【0087】

オペアンプ回路４０は、例えば第１の電源端子と、第２の電源端子と、第１の入力端子と、第２の入力端子と、出力端子と、を有する構成とすることができる。この場合、例えばオペアンプ回路４０の第１及び第２の電源端子、第１及び第２の入力端子、出力端子をそれぞれ制御回路２０の第１及び第２の電源端子、第１及び第２の入力端子、出力端子とすることができる。

【0088】

オペアンプ回路４０の第１の電源端子は、配線１１と電気的に接続されている。オペアンプ回路４０の第２の電源端子は、トランジスタ４４ａのソース又はドレインの一方、及びトランジスタ４４ｂのソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。ここで、オペアンプ回路４０の第２の電源端子と、トランジスタ４４ａのソース又はドレインの一方と、トランジスタ４４ｂのソース又はドレインの一方と、が電気的に接続されているノードをノードＮｒｅｆとする。

【0089】

オペアンプ回路４０の第１の入力端子は、配線１５と電気的に接続されている。オペアンプ回路４０の第２の入力端子は、配線１６と電気的に接続されている。図４は、非反転入力端子をオペアンプ回路４０の第１の入力端子とし、反転入力端子をオペアンプ回路４０の第２の入力端子とする場合を示している。また、オペアンプ回路４０の出力端子は、ノードＮＷと電気的に接続されている。

【0090】

トランジスタ４４ａのソース又はドレインの他方は、電流源４５の一方の電極と電気的に接続されている。トランジスタ４４ａのゲートは、配線５４ａと電気的に接続されている。電流源４５の他方の電極は、配線５５ａと電気的に接続されている。トランジスタ４４ｂのソース又はドレインの他方は、配線５５ｂと電気的に接続されている。トランジスタ４４ｂのゲートは、配線５４ｂと電気的に接続されている。

【0091】

配線５５ａ及び配線５５ｂは電源線としての機能を有する。配線５５ａ及び配線５５ｂの電位は、例えば低電位、例えば接地電位とすることができる。

【0092】

図４に示す構成の半導体装置１０において、トランジスタ４４ａをオン状態、トランジスタ４４ｂをオフ状態とすることにより、オペアンプ回路４０がオンとなる。よって、オペアンプ回路４０は、例えば配線１５の電位に対応する電位を出力することができる。一方、トランジスタ４４ａをオフ状態、トランジスタ４４ｂをオン状態とすると、オペアンプ回路４０がオフとなる。よって、オペアンプ回路４０は、例えば電位の出力を停止することができる。オペアンプ回路４０のオンオフの切り替えの詳細については後述する。

【0093】

図５は、図４に示す構成の半導体装置１０の変形例であり、トランジスタ２３がｎチャネル型トランジスタである点が、図４に示す構成の半導体装置１０と異なる。図５に示す構成の半導体装置１０では、オペアンプ回路４０の反転入力端子に配線１５を電気的に接続し、オペアンプ回路４０の非反転入力端子に配線１６を電気的に接続することができる。

【0094】

トランジスタ２３をｎチャネル型トランジスタとすることにより、トランジスタ２３をＯＳトランジスタとすることができる。前述のように、ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタに比べて高温環境下における電気特性が優れている。よって、トランジスタ２３にＯＳトランジスタを用いることで、高温環境下においても配線１６の電位が安定する。したがって、高温環境下においても半導体装置１０から出力される電位が安定し、半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0095】

図６は、図４に示す半導体装置１０の具体的な構成例を示す回路図であり、オペアンプ回路４０の回路構成例を示している。

【0096】

オペアンプ回路４０は、トランジスタ６３ａと、トランジスタ６３ｂと、トランジスタ６４ａと、トランジスタ６４ｂと、トランジスタ６５ａと、トランジスタ６５ｂと、を有する。

【0097】

トランジスタ６３ａのソース又はドレインの一方、及びトランジスタ６３ｂのソース又はドレインの一方は、配線１１と電気的に接続されている。トランジスタ６３ａのソース又はドレインの他方は、トランジスタ６４ａのソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ６４ａのソース又はドレインの一方は、トランジスタ２２のソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ６３ａのゲートは、トランジスタ６３ｂのゲートと電気的に接続されている。トランジスタ６３ｂのゲートは、トランジスタ６３ｂのソース又はドレインの他方と電気的に接続されている。トランジスタ６３ｂのソース又はドレインの他方は、トランジスタ６４ｂのソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ６４ａのソース又はドレインの他方、及びトランジスタ６４ｂのソース又はドレインの他方は、トランジスタ６５ａのソース又はドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ６５ａのソース又はドレインの他方は、配線７５ａと電気的に接続されている。トランジスタ６５ａのゲート、トランジスタ６５ｂのゲート、及びトランジスタ６５ｂのソース又はドレインの一方は、ノードＮｒｅｆと電気的に接続されている。トランジスタ６５ｂのソース又はドレインの他方は、配線７５ｂと電気的に接続されている。

【0098】

トランジスタ６４ａのゲートは配線１５と電気的に接続されており、トランジスタ６４ｂのゲートは配線１６と電気的に接続されている。つまり、トランジスタ６４ａのゲートは、オペアンプ回路４０の第１の入力端子であるということができ、トランジスタ６４ｂのゲートは、オペアンプ回路４０の第２の入力端子であるということができる。

【0099】

配線７５ａ及び配線７５ｂは、電源線としての機能を有する。配線７５ａ及び配線７５ｂの電位は、例えば低電位、例えば接地電位とすることができる。

【0100】

図７は、図６に示す構成の半導体装置１０の変形例であり、容量素子２８を有する点が図６に示す構成の半導体装置１０と異なる。図２Ｂに示す場合と同様に、容量素子２８の一方の電極はノードＮＨと電気的に接続され、容量素子２８の他方の電極は配線１６と電気的に接続されている。

【0101】

半導体装置１０が容量素子２８を有する構成とすることで、前述のように半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0102】

＜半導体装置の動作方法の一例＞
次に、半導体装置１０の動作方法の一例を説明する。図８は、図６等に示す構成の半導体装置１０の動作方法の一例を示すタイミングチャートである。図８において、“Ｈ”は高電位を示し、“Ｌ”は低電位を示す。なお、以下の説明では、配線１１及び配線１２の電位は高電位とする。また、配線３４、配線５５ａ、配線５５ｂ、配線７５ａ、及び配線７５ｂの電位は低電位とする。

【0103】

時刻Ｔ１以前では、配線３２の電位は低電位、配線３６の電位は高電位、配線５４ａの電位は低電位、配線５４ｂの電位は高電位となっている。これにより、トランジスタ２２はオフ状態、トランジスタ２６はオン状態、トランジスタ４４ａはオフ状態、トランジスタ４４ｂはオン状態となっている。この状態では、ノードＮｒｅｆの電位は低電位となるため、トランジスタ６５ｂには電流が流れず、よってトランジスタ６５ａにも電流が流れない。よって、オペアンプ回路４０はオフとなっているということができる。

【0104】

時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２において、配線３２の電位を低電位、配線３６の電位を高電位、配線５４ａの電位を高電位、配線５４ｂの電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２はオフ状態、トランジスタ２６はオン状態、トランジスタ４４ａはオン状態、トランジスタ４４ｂはオフ状態となる。トランジスタ４４ａがオン状態となることにより、電流源４５からノードＮｒｅｆに向かって電流が流れるため、ノードＮｒｅｆの電位が上昇する。これにより、トランジスタ６５ｂのソースとドレイン間に電流が流れる。ここで、トランジスタ６５ａとトランジスタ６５ｂによりカレントミラーが構成されているため、トランジスタ６５ａにも電流が流れる。よって、配線１１と、配線７５ａ及び配線７５ｂと、の間に電流が流れ、オペアンプ回路４０がオンとなる。

【0105】

以上より、ノードＮｒｅｆの電位が低電位である場合はオペアンプ回路４０がオフとなり、ノードＮｒｅｆの電位が低電位より高い電位である場合はオペアンプ回路４０がオンになるということができる。

【0106】

時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３において、配線３２の電位を高電位、配線３６の電位を低電位、配線５４ａの電位を高電位、配線５４ｂの電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２はオン状態、トランジスタ２６はオフ状態、トランジスタ４４ａはオン状態、トランジスタ４４ｂはオフ状態となる。トランジスタ２２がオン状態となることにより、制御回路２０から出力される電位がノードＮＨに書き込まれる。よって、配線１６の電位が、トランジスタ２３のゲート電位であるノードＮＨの電位に対応する電位となる。前述のように、ノードＮＨの電位は、配線１５の電位に対応する電位とすることができる。以上より、時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３において、配線１６の電位が配線１５の電位と対応する電位となる。なお、図８では、時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３におけるノードＮＨの電位は、制御回路２０の出力端子が電気的に接続されているノードであるノードＮＷの電位と等しいとしている。

【0107】

時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４において、配線３２の電位を低電位、配線３６の電位を高電位、配線５４ａの電位を高電位、配線５４ｂの電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２はオフ状態、トランジスタ２６はオン状態、トランジスタ４４ａはオン状態、トランジスタ４４ｂはオフ状態となる。トランジスタ２２がオフ状態、トランジスタ２６がオン状態となることにより、ノードＮＨの電位が保持される。

【0108】

時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５において、配線３２の電位を低電位、配線３６の電位を高電位、配線５４ａの電位を低電位、配線５４ｂの電位を高電位とする。これにより、トランジスタ２２はオフ状態、トランジスタ２６はオン状態、トランジスタ４４ａはオフ状態、トランジスタ４４ｂはオン状態となる。トランジスタ４４ａがオフ状態、トランジスタ４４ｂがオン状態となることにより、ノードＮｒｅｆの電位が低電位となり、トランジスタ６５ｂのソースとドレイン間に電流が流れなくなる。これにより、トランジスタ６５ａのソースとドレイン間にも電流が流れなくなるため、トランジスタ６５ａのソース又はドレインの一方の電位が、配線１１の電位である高電位に近づく。ここで、配線７５ａの電位は低電位であり、配線１１の電位より低いことから、トランジスタ６５ａのソース又はドレインの一方の電位が上昇する。これにより、ノードＮＷの電位が上昇する。以上により、オペアンプ回路４０がオフとなる。

【0109】

ここで、トランジスタ２２がオフ状態となっているため、ノードＮＷの電位が変動しても、ノードＮＨの電位は変動しない。よって、オペアンプ回路４０がオフとなっている時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５においても、配線１６の電位は、オペアンプ回路４０がオンとなっている時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ４における電位から変動しない。

【0110】

時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５において、ノードＮＷの電位が上昇する一方、ノードＮＨの電位が変動しないことから、トランジスタ２２をｎチャネル型トランジスタとすると、トランジスタ２２のソースがノードＮＨと電気的に接続された構成となる。よって、時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３においてノードＮＨに書き込む電位を大きくすると、トランジスタ２２をオフ状態とした際に、トランジスタ２２のゲート電位とトランジスタ２２のソース電位との差が小さく（差が負の値である場合は、差の絶対値が大きく）なる。これにより、トランジスタ２２のオフ電流が小さくなるため、ノードＮＨの電位を長期間保持することができる。例えば、低電位を接地電位とし、ノードＮＨに書き込まれる電位を正電位とすると、トランジスタ２２のゲート電位とトランジスタ２２のソース電位との差は負となる。よって、トランジスタ２２のゲート電位がトランジスタ２２のソース電位と等しい場合、例えばトランジスタ２２のゲート電位とトランジスタ２２のソース電位が共に接地電位である場合よりトランジスタ２２のオフ電流が小さくなり、ノードＮＨの電位を長期間保持することができる。

【0111】

時刻Ｔ５以降において、時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ５の動作を繰り返す。これにより、オペアンプ回路４０をオンとしてノードＮＨに再び電位を書き込んだ後、オペアンプ回路４０をオフとすることができる。以上が半導体装置１０の動作方法の一例である。

【0112】

なお、図８に示すように、配線３２の電位が低電位となっている期間は配線３６の電位が高電位となっており、配線３２の電位が高電位となっている期間は配線３６の電位が低電位となっている。つまり、配線３２と配線３６には、互いに相補的な信号が供給されるということができる。また、配線５４ａの電位が低電位となっている期間は配線５４ｂの電位が高電位となっており、配線５４ａの電位が高電位となっている期間は配線５４ｂの電位が低電位となっている。つまり、配線５４ａと配線５４ｂには、互いに相補的な信号が供給されるということができる。なお、配線３２と配線３６の両方が低電位となる期間があってもよいし、配線３２と配線３６の両方が高電位となる期間があってもよい。また、配線５４ａと配線５４ｂの両方が低電位となる期間があってもよいし、配線５４ａと配線５４ｂの両方が高電位となる期間があってもよい。例えば、時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ５の中の、２０％以内の期間において配線３２と配線３６の両方が高電位、又は低電位であってもよい。又は、時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ５の中の、２０％以内の期間において配線５４ａと配線５４ｂの両方が高電位、又は低電位であってもよい。

【0113】

図８に示す動作方法では、ノードＮＨの電位を保持することにより、オペアンプ回路４０をオフとしても半導体装置１０は所望の電位を出力し続けることができる。前述のように、オペアンプ回路４０をオフとした場合には、トランジスタ６５ａ及びトランジスタ６５ｂに電流が流れなくなる。よって、半導体装置１０を図８に示す方法で動作させることにより自己消費電力を低減することができるため、半導体装置１０の消費電力を低減することができる。

【0114】

前述のように、トランジスタ２２は、ＯＳトランジスタ等のオフ電流が極めて低いトランジスタとすることが好ましい。これにより、ノードＮＨに長期間電位を保持し続けることができるようになるため、時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５の期間を長くすることができる。したがって、ノードＮＨへの電位の書き込みの頻度を減少させることができる。つまり、時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ４に示す動作を行う頻度を減少させることができる。これにより、半導体装置１０の消費電力を低減することができる。

【0115】

また、前述のように、半導体装置１０はＤＣ－ＤＣコンバータ、リニアレギュレータ等に適用することができる。これらは出力電位に高い精度が求められる。前述のように、トランジスタ２２は、ＯＳトランジスタ等のオフ電流が極めて低いトランジスタとすることができる。また、半導体装置１０を図８に示す方法で動作させた場合、前述のように、トランジスタ２２をオフ状態とした際にトランジスタ２２のゲート電位とトランジスタのソース電位との差が小さく（差が負の値である場合は、差の絶対値が大きく）なる。以上により、半導体装置１０では、オペアンプ回路４０をオフとしても、ノードＮＨの電位を高い精度で保持することができる。よって、半導体装置１０は高い精度で電位を出力し続けることができ、半導体装置１０を安定して動作させることができる。

【0116】

本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0117】

（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断面構成例について、図面を用いて説明する。

【0118】

図９に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００と、容量素子６００と、を有している。図１１Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１１Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図１１Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。

【0119】

トランジスタ５００は、ＯＳトランジスタである。トランジスタ５００は、オフ電流が小さい。このため、例えば上記実施の形態で説明したトランジスタ２２の構成をトランジスタ５００と同様の構成とすることにより、ノードＮＨに長期間電位を保持することができる。これにより、ノードＮＨへの電位の書き込みの頻度が少なくなるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。

【0120】

本実施の形態で説明する半導体装置は、図９に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ５００、及び容量素子６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００はトランジスタ３００、及びトランジスタ５００の上方に設けられている。例えば上記実施の形態で説明したトランジスタ２３の構成をトランジスタ３００と同様の構成とすることができ、容量素子２４の構成を容量素子６００と同様の構成とすることができる。

【0121】

トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられる。トランジスタ３００は、導電体３１６及び絶縁体３１５を有する。また、トランジスタ３００は、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。

【0122】

トランジスタ３００は、図１１Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面、及びチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大する。これにより、トランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。

【0123】

なお、トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。

【0124】

半導体領域３１３のチャネルが形成される領域及びその近傍の領域、並びにソース領域又はドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ及び低抵抗領域３１４ｂ等において、シリコン系半導体等の半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。又は、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）等を有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。又はＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

【0125】

低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、又はホウ素等のｐ型の導電性を付与する元素を含む。

【0126】

ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リン等のｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素等のｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコン等の半導体材料を用いることができる。また、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。

【0127】

なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタル等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等の金属材料を積層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。

【0128】

図９に示すトランジスタ３００の構成は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や動作方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、半導体装置をＯＳトランジスタのみの単極性回路とする場合、図１０に示すとおり、トランジスタ３００の構成を、ＯＳトランジスタであるトランジスタ５００と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。図１０に示すトランジスタ３００は、例えば図５に示すようなｎチャネル型のトランジスタ２３に適用することができる。

【0129】

本明細書等において、単極性回路とは、例えば全てのトランジスタが同極性のトランジスタである回路を示す。例えば、全てのトランジスタがｎチャネル型トランジスタである回路は、単極性回路であるということができる。

【0130】

トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６が順に積層して設けられている。

【0131】

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用いればよい。

【0132】

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書等において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。

【0133】

絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００等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。

【0134】

また、絶縁体３２４には、基板３１１、又はトランジスタ３００等から、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。

【0135】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

【0136】

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）等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、１０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であればよい。

【0137】

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも比誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。

【0138】

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６には容量素子６００、又はトランジスタ５００と接続する導電体３２８、及び導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、及び導電体３３０は、プラグ又は配線としての機能を有する。また、プラグ又は配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、及び導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0139】

各プラグ、及び配線（導電体３２８、導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を、単層又は積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等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。又は、アルミニウムや銅等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。

【0140】

絶縁体３２６、及び導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0141】

なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される構成とすることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0142】

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とを積層することで、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。

【0143】

絶縁体３５４、及び導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0144】

なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される構成とすることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0145】

絶縁体３６４、及び導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0146】

なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される構成とすることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0147】

絶縁体３７４、及び導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ又は配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0148】

なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０に設けられる開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される構成とすることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0149】

上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、及び導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。

【0150】

絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。

【0151】

例えば、絶縁体５１０及び絶縁体５１４には、基板３１１等から、又はトランジスタ３００を設ける領域等からトランジスタ５００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることが好ましい。

【0152】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜である。

【0153】

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。

【0154】

特に、酸化アルミニウムは、酸素と、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物と、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する金属酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0155】

また、例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１２、及び絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

【0156】

また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、及び絶縁体５１６には、導電体５１８、及びトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0157】

特に、絶縁体５１０、及び絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、酸素、水素、及び水に対するバリア性を有する層で分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0158】

絶縁体５１４の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

【0159】

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４及び絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６及び導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面及び側面と接する領域を有するように配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５５０と、絶縁体５５０の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。

【0160】

また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂと、絶縁体５８０との間に絶縁体５４４を配置することが好ましい。また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、酸化物５３０ｃ、絶縁体５８０、導電体５６０、及び絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

【0161】

なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。

【0162】

なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構造、又は４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図９、図１０、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタ５００の構成は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や動作方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

【0163】

ここで、導電体５６０は、トランジスタ５００のゲート電極として機能し、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂは、それぞれソース電極又はドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるため、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。

【0164】

さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるため、導電体５６０は、導電体５４２ａ又は導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、の間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度が向上し、高い周波数特性を有することができる。

【0165】

導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0166】

導電体５０３は、酸化物５３０、及び導電体５６０と重なる領域を有するように配置する。これにより、導電体５６０、及び導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極の電界によってチャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造という。

【0167】

また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４及び絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ５００では、導電体５０３ａ及び導電体５０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０３は、単層、又は３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0168】

ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等の少なくとも一）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、本明細書等において、不純物、又は酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、又は上記酸素のいずれか一、又は全ての拡散を抑制する機能とする。

【0169】

例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することにより、導電体５０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。

【0170】

また、導電体５０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０３ａは、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０３ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0171】

絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0172】

ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。

【0173】

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、又は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、又は１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0174】

また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物５３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、又はＲＦ処理のいずれか一又は複数の処理を行ってもよい。当該処理を行うことで、酸化物５３０中の水、又は水素を除去することができる。例えば、酸化物５３０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「Ｖ_ＯＨ→Ｖ_Ｏ＋Ｈ」という反応が起きることにより、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、酸化物５３０、又は酸化物５３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体５４２に拡散又は捕獲（ゲッタリングともいう）される場合がある。

【0175】

また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、又は、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることにより、高密度の酸素ラジカルを生成することができる。また、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物５３０、又は酸化物５３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば酸素及びアルゴンを用い、酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））は５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下とするとよい。

【0176】

また、トランジスタ５００の作製工程中において、酸化物５３０の表面が露出した状態で加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、又は酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物５３０に酸素を供給して、酸素欠損（Ｖ_Ｏ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。又は、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、又は１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。又は、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、又は１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0177】

なお、酸化物５３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物５３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖ_Ｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物５３０中に残存した水素と、酸化物５３０に供給された酸素と、が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物５３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

【0178】

また、絶縁体５２４が過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等）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。

【0179】

絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有すると、酸化物５３０が有する酸素が絶縁体５２０側へ拡散することがないため好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができるため好ましい。

【0180】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）等のいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層又は積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0181】

特に、不純物、及び酸素等の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又はアルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）等を用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。

【0182】

又は、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。又はこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン、又は窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0183】

また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、又は酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２０を得ることができる。

【0184】

なお、図１１Ａ及び図１１Ｂのトランジスタ５００では、３層の積層構造からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体５２２、及び絶縁体５２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、又は４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。

【0185】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物５３０として適用できるＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、ＣＡＡＣ－ＯＳ（Ｃ－Ａｘｌｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＣＡＣ－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であることが好ましい。また、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。ＣＡＡＣ－ＯＳ及びＣＡＣ－ＯＳについては後述する。

【0186】

また、トランジスタ５００には、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くするためには、金属酸化物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、欠陥準位密度が低いことを高純度真性、又は実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、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。

【0187】

特に、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、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。また、酸化物５３０中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しＶ_ＯＨを形成する場合がある。Ｖ_ＯＨはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。したがって、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、金属酸化物中の水素は、熱、電界等のストレスによって動きやすいため、金属酸化物に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、酸化物５３０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性又は実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された金属酸化物を得るには、金属酸化物中の水分、水素等の不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、金属酸化物に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨ等の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。

【0188】

酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。

【0189】

よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、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、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは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。水素等の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。

【0190】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^－３未満であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0191】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）と酸化物５３０とが接することで、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散し、導電体５４２が酸化する場合がある。導電体５４２が酸化することで、導電体５４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散することを、導電体５４２が酸化物５３０中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。

【0192】

また、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、及び導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体５４２よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体５４２と、当該異層と、酸化物５３０ｂとの３層構造は、金属－絶縁体－半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造という、又はＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造という場合がある。

【0193】

なお、上記異層は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に形成されることに限られない。例えば、異層が、導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。又は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、及び導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。

【0194】

また、酸化物５３０においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0195】

酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへ不純物が拡散することを抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへ不純物が拡散することを抑制することができる。

【0196】

なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａ又は酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。

【0197】

具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成、或いは１：１：０．５［原子数比］、又はその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］、又はその近傍の組成、或いは１：１：１［原子数比］、又はその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、又はその近傍の組成、或いはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］、又はその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、又はその近傍の組成と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］、又はその近傍の組成と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成との積層構造、酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成との積層構造等が挙げられる。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。

【0198】

また、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。言い換えると、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。

【0199】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。言い換えると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0200】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。

【0201】

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、及び酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は高いオン電流を得られる。

【0202】

なお、酸化物５３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物５３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコン等の単体元素の半導体、ヒ化ガリウム等の化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料等ともいう。）等を半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。

【0203】

ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。

【0204】

層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物等がある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイド等が挙げられる。

【0205】

酸化物５３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物５３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ_２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ_２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ_２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ_２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ_２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ_２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ_２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ_２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ_２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ_２）等が挙げられる。

【0206】

酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、及びドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物等を用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、又は酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため好ましい。更に、窒化タンタル等の金属窒化物膜は、水素又は酸素に対するバリア性があるため好ましい。

【0207】

また、図１１では、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを単層構造として示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅－マグネシウム－アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。

【0208】

また、チタン膜又は窒化チタン膜と、そのチタン膜又は窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜又は窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜又は窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜又は窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜又は銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜又は窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

【0209】

また、図１１Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として領域５４３ａ、及び領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域又はドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域又はドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。

【0210】

酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分と、を含む金属化合物層が領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア濃度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。

【0211】

絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。

【0212】

絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタン、マグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体５４４として、窒化酸化シリコン又は窒化シリコン等も用いることができる。

【0213】

特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、又はハフニウムの一方又は双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、若しくはアルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）等を用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、又は酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により適宜設計すればよい。

【0214】

絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、及び水素等の不純物が、酸化物５３０ｃ及び絶縁体５５０を介して酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化することを抑制することができる。

【0215】

絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面、及び側面）と接するように配置することが好ましい。絶縁体５５０は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。

【0216】

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

【0217】

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物５３０ｃを通じて、絶縁体５５０から酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0218】

また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５５０から導電体５６０への酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。酸素の拡散を抑制する機能を有する金属酸化物を設けることで、絶縁体５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。

【0219】

なお、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。トランジスタの微細化、及び高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流等の問題が生じる場合がある。このため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ－ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位を低減することが可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。

【0220】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図１１Ａ及び図１１Ｂでは２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。

【0221】

導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２等）、銅原子等の不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。又は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等の少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体５５０に含まれる酸素により導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、又は酸化ルテニウム等を用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極ということができる。

【0222】

また、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、又はアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

【0223】

絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、及び導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、及び窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、又は樹脂等を有することが好ましい。特に、酸化シリコン、及び酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、及び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。

【0224】

絶縁体５８０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５８０を、酸化物５３０ｃと接する領域を有するように設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｂへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0225】

絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、及び導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。

【0226】

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく導電体５６０を形成することができる。

【0227】

絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、及び絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０、及び絶縁体５８０に過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。

【0228】

例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、又はマグネシウム等から選ばれた一種、又は二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。

【0229】

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、及び窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素等の不純物のバリア膜としての機能も有することができる。

【0230】

また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４等と同様に、膜中の水又は水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0231】

また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、及び導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、及び導電体５４８と同様の構成である。

【0232】

絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル等の金属酸化物を用いることが好ましい。

【0233】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、及びトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分等の不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中及び作製後において、水素、水分等の不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0234】

また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いることができる。

【0235】

また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、及び絶縁体５８６には、導電体５４６、及び導電体５４８等が埋め込まれている。

【0236】

導電体５４６、及び導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、又はトランジスタ３００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体５４６、及び導電体５４８は、導電体３２８、又は導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0237】

なお、トランジスタ５００の形成後、トランジスタ５００を囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁体でトランジスタ５００を包み込むことで、外部から水分、及び水素が侵入することを防止することができる。又は、複数のトランジスタ５００をまとめて、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００を囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁体５１４又は絶縁体５２２に達する開口を形成し、絶縁体５１４又は絶縁体５２２に接するように上述のバリア性の高い絶縁体を形成すると、トランジスタ５００の作製工程の一部を兼ねられるため好適である。なお、水素、又は水に対するバリア性が高い絶縁体としては、例えば、絶縁体５２２と同様の材料を用いればよい。

【0238】

続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０、導電体６２０、及び絶縁体６３０を有する。

【0239】

また、導電体５４６、及び導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、又は配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、及び導電体６１０は、同時に形成することができる。

【0240】

導電体６１２、及び導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、又は上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等の導電性材料を適用することもできる。

【0241】

図９では、導電体６１２、及び導電体６１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、及び導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。

【0242】

絶縁体６３０を介して導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、又は金属酸化物材料等の導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体等の他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。

【0243】

導電体６２０、及び絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６４０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。

【0244】

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化又は高集積化を図ることができる。

【0245】

図１２Ａ及び図１２Ｂは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタ５００の変形例である。図１２Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１２Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体４０２及び絶縁体４０４を有する点が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５２が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５２が設けられる点が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。なお、図１２Ａ及び図１２Ｂに示す構成は、トランジスタ３００等、本発明の一態様の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。

【0246】

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すトランジスタ５００は、絶縁体５１２上に絶縁体４０２が設けられる。また、絶縁体５７４上、及び絶縁体４０２上に絶縁体４０４が設けられる。

【0247】

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すトランジスタ５００では、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、及び絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構造になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体４０２の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体４０２によって外部から隔離される。

【0248】

絶縁体４０２及び絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子等の少なくとも一）又は水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体４０２及び絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるため、トランジスタ５００の特性が低下することを抑制することができる。よって、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0249】

絶縁体５５２は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５２は、水素又は水分子の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体５５２として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるため、絶縁体５５２として用いると好適である。絶縁体５５２として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水又は水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａ又は導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂに吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0250】

図１３は、トランジスタ５００及びトランジスタ３００を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。導電体５４６の側面に、絶縁体５５２が設けられている。

【0251】

図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すトランジスタの変形例である。図１４Ａはトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図１４Ｂはトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ｃが酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造である点が、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すトランジスタと異なる。

【0252】

酸化物５３０ｃ１は、絶縁体５２４の上面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの上面及び側面、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂの側面、絶縁体５４４の側面、及び絶縁体５８０の側面と接する。酸化物５３０ｃ２は、絶縁体５５０と接する。

【0253】

酸化物５３０ｃ１として、例えばＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物５３０ｃ２として、酸化物５３０ｃが１層構造である場合に酸化物５３０ｃに用いることができる材料と同様の材料を用いることができる。例えば、酸化物５３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、又はその近傍の組成、或いはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］、又はその近傍の組成の金属酸化物を用いることができる。

【0254】

酸化物５３０ｃを酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることにより、酸化物５３０ｃを１層構造とする場合より、トランジスタのオン電流を高めることができる。よって、トランジスタを、例えばパワーＭＯＳトランジスタとすることができる。なお、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すトランジスタが有する酸化物５３０ｃも、酸化物５３０ｃ１と酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることができる。

【0255】

図１４Ａ及び図１４Ｂに示すトランジスタは、例えばトランジスタ３００に適用することができる。前述のように、トランジスタ３００は、上記実施の形態の図５に示すトランジスタ２３に適用することができる。前述のように、図１４Ａ及び図１４Ｂに示す構成のトランジスタ３００のオン電流は高い。よって、出力トランジスタとしての機能を有するトランジスタ２３を図１４Ａ及び図１４Ｂに示す構成とすることで、トランジスタ２３のオン電流を高めることができる。したがって、本発明の一態様の半導体装置から出力される電位の精度を高めることができる。なお、図１４Ａ及び図１４Ｂに示す構成は、トランジスタ５００等、本発明の一態様の半導体装置が有する、トランジスタ３００以外のトランジスタにも適用することができる。

【0256】

図１５は、トランジスタ５００を図１１Ａ及び図１１Ｂに示す構成とし、トランジスタ３００を図１４Ａ及び図１４Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。なお、図１３と同様に、導電体５４６の側面に絶縁体５５２を設ける構成としている。図１５に示すように、本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ３００とトランジスタ５００を両方ともＯＳトランジスタとしつつ、トランジスタ３００とトランジスタ５００のそれぞれを異なる構成にすることができる。

【0257】

図１６Ａ及び図１６Ｂは、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すトランジスタの変形例である。図１６Ａはトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図１６Ｂはトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図１６Ａ及び図１６Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ｂを有さない点が、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すトランジスタと異なる。つまり、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃ１、及び酸化物５３０ｃ２によって酸化物５３０が構成されているということができる。

【0258】

酸化物５３０を、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ｃ１と、酸化物５３０ｃ２との積層構造とすることで、以下の優れた効果を有する。

【0259】

例えば、酸化物５３０ａをＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成とし、酸化物５３０ｃ１をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、又はその近傍の組成とし、酸化物５３０ｃ２をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、又はその近傍の組成とすることで、酸化物５３０ｃ１にチャネル形成領域を設ける構成とすることができる。この構成の場合、絶縁体５８０、絶縁体５４４、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、及び酸化物５３０ａに形成された開口部を沿うように、酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２がＵ字状（Ｕ－Ｓｈａｐｅ）に形成される。なお、酸化物５３０ａに形成された上記開口部は、絶縁体５２４の上面には達していない。また、導電体５４２ａの側面、及び導電体５４２ｂの側面と、酸化物５３０ｃ１の側面とを、接触させる構成とすることができる。さらに、酸化物５３０ｃ１の上面に、酸化物５３０ｃ２が接しており、絶縁体５５０が酸化物５３０ｃ１に接触することを防ぐことができる。

【0260】

上記の構成とすることで、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、酸化物５３０ｃ１との接触面積を小さくすることができる。導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、酸化物５３０ｃ１との接触面積を小さくすることで、導電体５４２と酸化物５３０ｃ１との間に起こりうる接合リーク電流（ジャンクションリーク電流ともいう）を低減することができる。また、導電体５４２の厚さを調整することで、酸化物５３０ｃ１との接触面積を任意に調整することが可能となる。

【0261】

例えば、図１６に示す構成のトランジスタを有する半導体装置は、宇宙空間にて使用する場合に好適に用いることができる。例えば、図１６に示す構成のトランジスタを、人工衛星に設けられる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。宇宙空間においては、宇宙放射線、又は太陽から放出された電子や陽子が、半導体装置の内部まで入り込み半導体特性に影響を与える場合がある。図１６に示す構成のトランジスタにおいては、接合リーク電流が低減されたトランジスタであるため、宇宙放射線等に対する耐性が高く、信頼性が高い構造であるともいえる。

【0262】

本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0263】

（実施の形態３）
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物であるＣＡＣ－ＯＳ、及びＣＡＡＣ－ＯＳの構成について説明する。なお、本明細書等において、ＣＡＣは機能、又は材料の構成の一例を表し、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表す。

【0264】

＜金属酸化物の構成＞
ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（又はホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。

【0265】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。

【0266】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。

【0267】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。

【0268】

すなわち、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、又は金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。

【0269】

＜金属酸化物の構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体等がある。

【0270】

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。

【0271】

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、及び七角形等の格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化すること等によって、歪みを許容することができるためと考えられる。

【0272】

また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。

【0273】

ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成等によって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損等）の少ない酸化物半導体ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ－ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。

【0274】

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。

【0275】

ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

【0276】

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

【0277】

＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。

【0278】

上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。

【0279】

また、トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。

【0280】

また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体は、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。

【0281】

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

【0282】

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、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

【0283】

＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。

【0284】

酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0285】

また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

【0286】

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／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。

【0287】

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは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。

【0288】

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0289】

本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0290】

（実施の形態４）
本実施の形態は、上記実施の形態に示す半導体装置等が形成された半導体ウェハ、及び当該半導体装置が組み込まれた電子部品の一例を示す。

【0291】

＜半導体ウェハ＞
初めに、半導体装置等が形成された半導体ウェハの例を、図１７Ａを用いて説明する。

【0292】

図１７Ａに示す半導体ウェハ４８００は、ウェハ４８０１と、ウェハ４８０１の上面に設けられた複数の回路部４８０２と、を有する。なお、ウェハ４８０１の上面において、回路部４８０２の無い部分は、スペーシング４８０３であり、ダイシング用の領域である。

【0293】

半導体ウェハ４８００は、ウェハ４８０１の表面に対して、前工程によって複数の回路部４８０２を形成することで作製することができる。また、その後に、ウェハ４８０１の複数の回路部４８０２が形成された反対側の面を研削して、ウェハ４８０１を薄膜化してもよい。この工程により、ウェハ４８０１の反り等を低減し、部品としての小型化を図ることができる。

【0294】

次の工程としては、ダイシング工程が行われる。ダイシングは、一点鎖線で示したスクライブラインＳＣＬ１及びスクライブラインＳＣＬ２（ダイシングライン、又は切断ラインという場合がある）に沿って行われる。なお、スペーシング４８０３は、ダイシング工程を容易に行うために、複数のスクライブラインＳＣＬ１が平行になるように設け、また複数のスクライブラインＳＣＬ２が平行になるように設け、さらにスクライブラインＳＣＬ１とスクライブラインＳＣＬ２が垂直になるように設けるのが好ましい。

【0295】

ダイシング工程を行うことにより、図１７Ｂに示すようなチップ４８００ａを、半導体ウェハ４８００から切り出すことができる。チップ４８００ａは、ウェハ４８０１ａと、回路部４８０２と、スペーシング４８０３ａと、を有する。なお、スペーシング４８０３ａは、極力小さくなるようにすることが好ましい。この場合、隣り合う回路部４８０２の間のスペーシング４８０３の幅が、スクライブラインＳＣＬ１の切りしろ、又はスクライブラインＳＣＬ２の切りしろとほぼ同等の長さであればよい。

【0296】

なお、本発明の一態様の素子基板の形状は、図１７Ａに図示した半導体ウェハ４８００の形状に限定されない。例えば、矩形の形状の半導体ウェハあってもよい。素子基板の形状は、素子の作製工程、及び素子を作製するための装置に応じて、適宜変更することができる。

【0297】

＜電子部品＞
次に、チップ４８００ａが組み込まれた電子部品の例を、図１７Ｃ、図１７Ｄを用いて説明する。

【0298】

図１７Ｃに電子部品４７００、及び電子部品４７００が実装された基板（実装基板４７０４）の斜視図を示す。図１７Ｃに示す電子部品４７００は、リード４７０１と、上述したチップ４８００ａと、を有し、ＩＣチップ等として機能する。

【0299】

電子部品４７００は、例えば、リードフレームのリード４７０１とチップ４８００ａ上の電極とを金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続するワイヤーボンディング工程と、エポキシ樹脂等によって封止するモールド工程と、リードフレームのリード４７０１へのメッキ処理と、パッケージの表面への印字処理と、を行うことで作製することができる。また、ワイヤーボンディング工程は、例えば、ボールボンディングや、ウェッジボンディング等を用いることができる。また、図１７Ｃでは、電子部品４７００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。

【0300】

電子部品４７００は、例えばプリント基板４７０２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板４７０２上で電気的に接続されることで実装基板４７０４が完成する。

【0301】

図１７Ｄに電子部品４７３０の斜視図を示す。電子部品４７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）又はＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品４７３０は、パッケージ基板４７３２（プリント基板）上にインターポーザ４７３１が設けられ、インターポーザ４７３１上に半導体装置４７３５、及び複数の半導体装置４７１０が設けられている。

【0302】

半導体装置４７１０としては、例えば、上記実施の形態で説明した半導体装置の他、広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｍｅｍｏｒｙ）等とすることができる。また、半導体装置４７３５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、記憶装置等の集積回路（半導体装置）を用いることができる。

【0303】

パッケージ基板４７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、又はガラスエポキシ基板等を用いることができる。インターポーザ４７３１は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザ等を用いることができる。

【0304】

インターポーザ４７３１は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層又は多層で設けられる。また、インターポーザ４７３１は、インターポーザ４７３１上に設けられた集積回路をパッケージ基板４７３２に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」又は「中間基板」という場合がある。また、インターポーザ４７３１に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板４７３２を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）を用いることも出来る。

【0305】

インターポーザ４７３１としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。

【0306】

ＨＢＭでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、ＨＢＭを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、ＨＢＭを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。

【0307】

また、シリコンインターポーザを用いたＳｉＰやＭＣＭ等では、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する２．５Ｄパッケージ（２．５次元実装）では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。

【0308】

また、電子部品４７３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ４７３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品４７３０では、半導体装置４７１０と半導体装置４７３５の高さを揃えることが好ましい。

【0309】

電子部品４７３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板４７３２の底部に電極４７３３を設けてもよい。図１７Ｄでは、電極４７３３を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板４７３２の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。また、電極４７３３を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板４７３２の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、ＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。

【0310】

電子部品４７３０は、ＢＧＡ及びＰＧＡに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、ＳＰＧＡ（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＪ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｊ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）、又はＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）等の実装方法を用いることができる。

【0311】

本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0312】

（実施の形態５）
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を有する電子機器の一例について説明する。なお、図１８には、当該半導体装置を有する電子部品４７００が各電子機器に含まれている様子を図示している。

【0313】

［携帯電話］
図１８に示す情報端末５５００は、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）である。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。

【0314】

情報端末５５００は、上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することで、低消費電力の情報端末５５００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、情報端末５５００の信頼性を高めることができる。

【0315】

［ウェアラブル端末］
また、図１８には、ウェアラブル端末の一例としてスマートウォッチ５９００が図示されている。スマートウォッチ５９００は、筐体５９０１、表示部５９０２、操作ボタン５９０３、操作子５９０４、バンド５９０５等を有する。

【0316】

ウェアラブル端末は、前述した情報端末５５００と同様に、上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することで、低消費電力のウェアラブル端末を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、ウェアラブル端末の信頼性を高めることができる。

【0317】

［情報端末］
また、図１８には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。

【0318】

デスクトップ型情報端末５３００は、前述した情報端末５５００と同様に、上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することで、低消費電力のデスクトップ型情報端末５３００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、デスクトップ型情報端末５３００の信頼性を高めることができる。

【0319】

なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、スマートウォッチ、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図１８に図示したが、スマートフォン、スマートウォッチ、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、スマートウォッチ、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーション等が挙げられる。

【0320】

［電化製品］
また、図１８には、電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫５８００が図示されている。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。

【0321】

電気冷凍冷蔵庫５８００に上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することによって、低消費電力の電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、電気冷凍冷蔵庫５８００の信頼性を高めることができる。

【0322】

本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器等が挙げられる。

【0323】

［ゲーム機］
また、図１８には、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００が図示されている。携帯ゲーム機５２００は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。

【0324】

更に、図１８には、ゲーム機の一例である据置型ゲーム機７５００が図示されている。据置型ゲーム機７５００は、本体７５２０と、コントローラ７５２２を有する。なお、本体７５２０には、無線又は有線によってコントローラ７５２２を接続することができる。また、図１８には示していないが、コントローラ７５２２は、ゲームの画像を表示する表示部、ボタン以外の入力インターフェースとなるタッチパネルやスティック、回転式つまみ、スライド式つまみ等を備えることができる。また、コントローラ７５２２は、図１８に示す形状に限定されず、ゲームのジャンルに応じて、コントローラ７５２２の形状を様々に変更してもよい。例えば、ＦＰＳ（Ｆｉｒｓｔ Ｐｅｒｓｏｎ Ｓｈｏｏｔｅｒ）等のシューティングゲームでは、トリガーをボタンとし、銃を模した形状のコントローラを用いることができる。また、例えば、音楽ゲーム等では、楽器、音楽機器等を模した形状のコントローラを用いることができる。更に、据置型ゲーム機は、コントローラを使わず、代わりにカメラ、深度センサ、マイクロフォン等を備えて、ゲームプレイヤーのジェスチャー、及び／又は音声によって操作する形式としてもよい。

【0325】

また、上述したゲーム機の映像は、テレビジョン装置、パーソナルコンピュータ用ディスプレイ、ゲーム用ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置により表示することができる。

【0326】

携帯ゲーム機５２００、又は据置型ゲーム機７５００に上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００、又は据置型ゲーム機７５００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、携帯ゲーム機５２００、又は据置型ゲーム機７５００の信頼性を高めることができる。

【0327】

図１８では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、及び据置型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様の電子機器はこれに限定されない。本発明の一態様の電子機器としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地等）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシン等が挙げられる。

【0328】

［カメラ］
上記実施の形態で説明した半導体装置は、カメラに適用することができる。

【0329】

図１８には、デジタルカメラ６２４０が図示されている。デジタルカメラ６２４０は、筐体６２４１、表示部６２４２、操作ボタン６２４３、シャッターボタン６２４４等を有する。また、デジタルカメラ６２４０には、着脱可能なレンズ６２４６が取り付けられている。なお、ここではデジタルカメラ６２４０を、筐体６２４１からレンズ６２４６を取り外して交換することが可能な構成としたが、レンズ６２４６と筐体６２４１とが一体となっていてもよい。また、デジタルカメラ６２４０は、ストロボ装置や、ビューファインダー等を別途装着することができる構成としてもよい。

【0330】

デジタルカメラ６２４０に上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することによって、低消費電力のデジタルカメラ６２４０を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、デジタルカメラ６２４０の信頼性を高めることができる。

【0331】

［ビデオカメラ］
上記実施の形態で説明した半導体装置は、ビデオカメラに適用することができる。

【0332】

図１８には、ビデオカメラ６３００が図示されている。ビデオカメラ６３００は、第１筐体６３０１、第２筐体６３０２、表示部６３０３、操作キー６３０４、レンズ６３０５、接続部６３０６等を有する。操作キー６３０４及びレンズ６３０５は第１筐体６３０１に設けられており、表示部６３０３は第２筐体６３０２に設けられている。そして、第１筐体６３０１と第２筐体６３０２とは、接続部６３０６により接続されており、第１筐体６３０１と第２筐体６３０２の間の角度は、接続部６３０６により変更が可能である。表示部６３０３における映像を、接続部６３０６における第１筐体６３０１と第２筐体６３０２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。

【0333】

ビデオカメラ６３００に上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することによって、低消費電力のビデオカメラ６３００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、ビデオカメラ６３００の信頼性を高めることができる。

【0334】

［ＩＣＤ］
上記実施の形態で説明した半導体装置は、植え込み型除細動器（ＩＣＤ）に適用することができる。

【0335】

図１８には、ＩＣＤの一例を示す断面模式図が図示されている。ＩＣＤ本体５４００は、バッテリー５４０１と、電子部品４７００と、アンテナ５４０４と、右心房へのワイヤ５４０２と、右心室へのワイヤ５４０３とを少なくとも有している。

【0336】

ＩＣＤ本体５４００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５４０５及び上大静脈５４０６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。

【0337】

ＩＣＤ本体５４００は、ペースメーカとしての機能を有し、心拍数が規定の範囲から外れた場合に心臓に対してペーシングを行う。また、ペーシングによって心拍数が改善しない場合（速い心室頻拍や心室細動等）、電気ショックによる治療が行われる。

【0338】

ＩＣＤ本体５４００は、ペーシング及び電気ショックを適切に行うため、心拍数を常に監視する必要がある。そのため、ＩＣＤ本体５４００は、心拍数を検知するためのセンサを有する。また、ＩＣＤ本体５４００は、当該センサ等によって取得した心拍数のデータ、ペーシングによる治療を行った回数、時間等を記憶することができる。

【0339】

また、アンテナ５４０４で電力が受信でき、その電力はバッテリー５４０１に充電される。また、ＩＣＤ本体５４００は複数のバッテリーを有することにより、安全性を高くすることができる。具体的には、ＩＣＤ本体５４００の一部のバッテリーが使えなくなったとしても残りのバッテリーを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。

【0340】

また、電力を受信できるアンテナ５４０４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、体温等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。

【0341】

ＩＣＤ本体５４００に上記実施の形態で説明した半導体装置を適用することによって、低消費電力のＩＣＤ本体５４００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。これにより、ＩＣＤ本体５４００の信頼性を高めることができる。

【0342】

［宇宙用途］
上記実施の形態で説明した半導体装置は、宇宙用途の装置にも適用することができる。

【0343】

図１８には、人工衛星６８００が図示されている。人工衛星６８００は、機体６８０１と、ソーラーパネル６８０２と、アンテナ６８０３と、を有する。

【0344】

ソーラーパネル６８０２に太陽光が照射されることにより、人工衛星６８００が動作するために必要な電力が生成される。しかしながら、例えばソーラーパネルに太陽光が照射されない状況、又はソーラーパネルに照射される太陽光の光量が少ない状況では、生成される電力が少なくなる。よって、人工衛星６８００が動作するために必要な電力が生成されない可能性がある。生成される電力が少ない状況下であっても人工衛星６８００を動作させるために、例えば人工衛星６８００にバッテリーを設けることが考えられる。しかしながら、バッテリーの容量が大きくなると、バッテリーの重量も大きくなるため、当該バッテリーが設けられている人工衛星６８００の重量も大きくなる。これにより、人工衛星６８００を地上から打ち上げる際のコスト等が大きくなる場合がある。

【0345】

人工衛星６８００に適用される半導体装置は、例えば信号を生成することができる。当該信号は、アンテナ６８０３を介して送信され、例えば地上に設けられた受信機、又は他の人工衛星が受信することができる。人工衛星６８００が送信した信号を受信することにより、例えば当該信号を受信した受信機の位置を測定することができる。以上より、人工衛星６８００は、例えば衛星測位システムを構成することができる。

【0346】

又は、人工衛星６８００に適用される半導体装置は、例えばセンサを有する構成とすることができる。例えば、可視光センサを有する構成とすることにより、人工衛星６８００は、地上に設けられている物体に当たって反射された太陽光を検出する機能を有することができる。又は、熱赤外センサを有する構成とすることにより、人工衛星６８００は、地表から放出される熱赤外線を検出する機能を有することができる。以上より、人工衛星６８００は、例えば地球観測衛星としての機能を有することができる。

【0347】

前述のように、上記実施の形態で示した半導体装置は、低消費電力の半導体装置である。よって、人工衛星６８００に上記実施の形態で示した半導体装置を適用することにより、人工衛星６８００の消費電力を低減することができる。これにより、人工衛星６８００に大容量のバッテリーを設ける必要がなくなるため、人工衛星６８００の重量を小さくすることができる。よって、人工衛星６８００を地上から打ち上げる際のコスト等を小さくすることができる。

【0348】

また、宇宙空間においては、太陽光が照射されている領域においては、人工衛星６８００に設けられる半導体装置等は、２００℃以上の高温環境下に曝される場合がある。上記実施の形態で示した半導体装置は、高温環境下においても高い信頼性を有する。よって、人工衛星６８００に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、人工衛星６８００の信頼性を高めることができる。

【0349】

本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【実施例0350】

本実施例では、本発明の一態様の半導体装置をシミュレーション上で動作させた結果について説明する。

【0351】

図１９は、本実施例で想定した回路の構成を示す回路図である。本実施例では、図６に示す構成の半導体装置１０と、半導体装置１０の外部に設けられ、配線１６と電気的に接続された負荷回路１３と、を有する回路を想定して、当該回路を図８に示す方法によりシミュレーション上で動作させた。

【0352】

負荷回路１３は、トランジスタ４６ａと、トランジスタ４６ｂと、容量素子４７と、電流源４８と、を有する構成とした。トランジスタ４６ａのソース又はドレインの一方、及び容量素子４７の一方の電極を、配線１６と電気的に接続した。容量素子４７の他方の電極を、配線５７と電気的に接続した。トランジスタ４６ａのソース又はドレインの他方を、配線５６ａと電気的に接続した。トランジスタ４６ａのゲートを、トランジスタ４６ｂのゲートと電気的に接続した。トランジスタ４６ｂのゲートを、トランジスタ４６ｂのソース又はドレインの一方と電気的に接続した。トランジスタ４６ｂのソース又はドレインの一方を、電流源４８の一方の電極と電気的した。電流源４８の他方の電極を、配線５８と電気的に接続した。トランジスタ４６ｂのソース又はドレインの他方を、配線５６ｂと電気的に接続した。

【0353】

また、配線１１の電位を３．３Ｖ、容量素子２４の容量値を１ｐＦ、電流源４５の電流値を０．１μＡ、容量素子４７の容量値を１μＦ、電流源４８の電流値を１μＡとした。また、配線３４、配線５５ａ、配線５５ｂ、配線５６ａ、配線５６ｂ、配線５７、配線５８、配線７５ａ、配線７５ｂの電位は、接地電位とした。以上のような条件を想定して、配線１５に参照電位として１．２Ｖを供給する場合の半導体装置１０の動作を、シミュレーションにより検証した。

【0354】

図２０Ａは、配線３２及び配線５４ａの電位の経時変化を示すグラフである。図２０Ｂは、配線１６、ノードＮＷ、ノードＮＨ、及びノードＮｒｅｆの電位の経時変化を示すグラフである。ここで、０．０ｓ乃至０．５ｓの間に時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２に対応する動作を行い、０．５ｓ乃至１．５ｓの間に時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３に対応する動作を行い、１．５ｓ乃至２．０ｓの間に時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４に対応する動作を行い、２．０ｓ乃至４．０ｓの間に時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５に対応する動作をシミュレーション上で行った。また、４．０ｓ乃至４．５ｓの間に時刻Ｔ１乃至時刻Ｔ２に対応する動作を行い、４．５ｓ乃至５．５ｓの間に時刻Ｔ２乃至時刻Ｔ３に対応する動作を行い、５．５ｓ乃至６．０ｓの間に時刻Ｔ３乃至時刻Ｔ４に対応する動作を行い、６．０ｓ乃至８．０ｓの間に時刻Ｔ４乃至時刻Ｔ５に対応する動作をシミュレーション上で行った。

【0355】

図２０Ｂに示すように、配線１６の電位は、配線１５の電位である１．２Ｖと概略同一となり、半導体装置１０が所望の電位を出力し続けることができることがシミュレーション上で確認された。

【実施例0356】

本実施例では、本発明の一態様の半導体装置をシミュレーション上で動作させた結果について説明する。

【0357】

本実施例では、図１９に示す構成の半導体装置１０、及び図２１に示す構成の半導体装置１０を想定して、図８に示す方法によりシミュレーション上で動作させた。図２１は、図７に示す構成の半導体装置１０の外部に図１９に示す構成の負荷回路１３を設け、負荷回路１３を配線１６と電気的に接続した構成である。

【0358】

ここで、配線１１の電位を３．３Ｖ、容量素子２４の容量値を１ｐＦ、電流源４５の電流値を０．１μＡ、容量素子４７の容量値を１μＦとした。また、配線３４、配線５５ａ、配線５５ｂ、配線５６ａ、配線５６ｂ、配線５７、配線５８、配線７５ａ、配線７５ｂの電位は、接地電位とした。さらに、配線１５に参照電位として１．２Ｖを供給するとした。以上のような条件を想定して、電流源４８を流れる電流の電流値を電流Ｉ_ｌｏａｄとし、電流Ｉ_ｌｏａｄを０．２０μＡ、０．４０μＡ、０．６０μＡ、０．８０μＡ、０．９０μＡ、０．９２μＡ、０．９４μＡ、０．９６μＡ、０．９８μＡ、１．００μＡ、１．０２μＡ、１．０４μＡ、１．０６μＡ、１．０８μＡ、１．１０μＡ、１．２０μＡ、１．４０μＡ、１．６０μＡ、１．８０μＡ、及び２．００μＡとした場合の、配線１６の電位の経時変化をそれぞれ算出した。

【0359】

図２２Ａは、半導体装置１０を図１９に示す構成とした場合の、配線１６の電位の経時変化の算出結果を示す。図２２Ｂは、半導体装置１０を図２１に示す構成とし、容量素子２８の容量値を１ｐＦとした場合の、配線１６の電位の経時変化の算出結果を示す。図２２Ｃは、半導体装置１０を図２１に示す構成とし、容量素子２８の容量値を１０ｐＦとした場合の、配線１６の電位の経時変化の算出結果を示す。

【0360】

図２２Ａ乃至図２２Ｃに示すように、電流Ｉ_ｌｏａｄが大きくなるほど、配線１６の電位が小さくなることがシミュレーション上で確認された。また、半導体装置１０に容量素子２８を設けることにより、電流Ｉ_ｌｏａｄの変動に伴う配線１６の電位の変動が小さくなることがシミュレーション上で確認された。さらに、容量素子２８の容量値が大きくなると、電流Ｉ_ｌｏａｄの変動に伴う配線１６の電位の変動がさらに小さくなることがシミュレーション上で確認された。