(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】P2023160913
(43)【公開日】2023-11-02
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
G11C 11/405 20060101AFI20231026BHJP
H10B 12/00 20230101ALI20231026BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20231026BHJP
H01L 27/088 20060101ALI20231026BHJP
H01L 29/786 20060101ALI20231026BHJP
【ＦＩ】
G11C11/405
H10B12/00 801
H01L27/06 102A
H01L27/088 E
H01L27/088 331E
H01L29/78 618B
H01L29/78 613B
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023142768
(22)【出願日】2023-09-04
(62)【分割の表示】P 2020560634の分割
【原出願日】2019-11-20
(31)【優先権主張番号】P 2018239486
(32)【優先日】2018-12-21
(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】大貫 達也
(72)【発明者】
【氏名】加藤 清
(72)【発明者】
【氏名】山崎 舜平
(57)【要約】
【課題】新規な構成の半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置は、ソース又はドレインの一方が、データを読み出すための第１配線に電気的に接続された第１トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方がデータを書き込むための第２配線に電気的に接続された第２トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方がデータに応じた電荷を保持するためのキャパシタに電気的に接続された第３トランジスタと、を有し、第３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。
【選択図】図１
【解決手段】半導体装置は、ソース又はドレインの一方が、データを読み出すための第１配線に電気的に接続された第１トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方がデータを書き込むための第２配線に電気的に接続された第２トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方がデータに応じた電荷を保持するためのキャパシタに電気的に接続された第３トランジスタと、を有し、第３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。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ソース又はドレインの一方が、データを読み出すための第１配線に電気的に接続された第１トランジスタと、
ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データを書き込むための第２配線に電気的に接続された第２トランジスタと、
ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データに応じた電荷を保持するためのキャパシタに電気的に接続された第３トランジスタと、を有し、
前記第３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。
ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データを書き込むための第２配線に電気的に接続された第２トランジスタと、
ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データに応じた電荷を保持するためのキャパシタに電気的に接続された第３トランジスタと、を有し、
前記第３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】
本明細書は、半導体装置、並びにその動作方法等について説明する。
【0002】
本明細書において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置であり、半導体素子（トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等）を含む回路、同回路を有する装置等をいう。また、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般をいう。例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品は半導体装置の一例である。また、記憶装置、表示装置、発光装置、照明装置及び電子機器等は、それ自体が半導体装置であり、半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【0003】
トランジスタに適用可能な半導体として金属酸化物が注目されている。“ＩＧＺＯ”、“イグゾー”などと呼ばれるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、多元系金属酸化物の代表的なものである。ＩＧＺＯに関する研究において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造、およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（例えば、非特許文献１）。
【0004】
チャネル形成領域に金属酸化物半導体を有するトランジスタ（以下、「酸化物半導体トランジスタ」、または「ＯＳトランジスタ」と呼ぶ場合がある。）は、極小オフ電流であることが報告されている（例えば、非特許文献１、２）。ＯＳトランジスタが用いられた様々な半導体装置が作製されている（例えば、非特許文献３、４）。ＯＳトランジスタの製造プロセスは、従来のＳｉトランジスタとのＣＭＯＳプロセスに組み込むことができ、ＯＳトランジスタはＳｉトランジスタに積層することが可能である（例えば、非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，” Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．５３，０４ＥＤ１８（２０１４）．
【非特許文献2】Ｋ．Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｆｆ－Ｓｔａｔｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ， Ｉｎｄｉｕｍ－Ｇａｌｌｉｕｍ－Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．５１，０２１２０１（２０１２）．
【非特許文献3】Ｓ．Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ ＬＣ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏｘｉｄｅ ＴＦＴｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒａｍｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，“ＳＩＤ Ｓｙｍｐ． Ｄｉｇ． Ｐａｐｅｒｓ，ｖｏｌ．４１，ｐｐ．６２６－６２９（２０１０）．
【非特許文献4】Ｔ．Ｉｓｈｉｚｕ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍｅｍｏｒｉｅｓ：Ａ Ｋｅｙ Ｅｎａｂｌｅｒ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｐｏｗｅｒ ＵＬＳＩ，”ＥＣＳ Ｔｒａｎ．，ｖｏｌ．７９，ｐｐ．１４９－１５６（２０１７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の一形態の課題は、極小オフ電流を利用した記憶装置として機能する半導体装置において、データの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置を提供すること、又は低消費電力化に優れた半導体装置を提供することである。
【0007】
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。本発明の一形態は、例示した全ての課題を解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、本明細書の記載から、自ずと明らかとなり、このような課題も、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】
【0008】
本発明の一態様は、ソース又はドレインの一方が、データを読み出すための第１配線に電気的に接続された第１トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データを書き込むための第２配線に電気的に接続された第２トランジスタと、ソース又はドレインの一方が、前記第１トランジスタのゲートに電気的に接続され、ソース又はドレインの他方が前記データに応じた電荷を保持するためのキャパシタに電気的に接続された第３トランジスタと、を有し、前記第３トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する、半導体装置である。
【0009】
本発明の一態様において、前記第２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、半導体装置が好ましい。
【0010】
本発明の一態様において、前記第１トランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有する、半導体装置が好ましい。
【0011】
本発明の一態様において、前記第１配線は、前記第２配線と同じ配線である半導体装置が好ましい。
【0012】
本発明の一態様は、上記記載の半導体装置と、筐体と、を有する電子機器である。
【0013】
本発明の一態様は、上記記載の半導体装置の動作方法であり、前記第２トランジスタおよび前記第３トランジスタを導通状態とするデータ書き込み動作と、前記第３トランジスタを非導通状態とするデータ保持動作と、前記第２のトランジスタを非導通状態とし、且つ前記第３のトランジスタを導通状態とするデータ読み出し動作と、を含む半導体装置の動作方法である。
【0014】
なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。
【発明の効果】
【0015】
本発明の一形態によって、極小オフ電流を利用した記憶装置として機能する半導体装置において、データの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置を提供すること、又は低消費電力化に優れた半導体装置を提供することができる。
【0016】
複数の効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一形態は、必ずしも、例示した効果の全てを有する必要はない。また、本発明の一形態について、上記以外の課題、効果、および新規な特徴については、本明細書の記載および図面から自ずと明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明の一形態は、以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明の一形態は、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。
【0019】
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
【0020】
図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【0021】
本明細書において、例えば、電源電位ＶＤＤを、電位ＶＤＤ、ＶＤＤ等と省略して記載する場合がある。これは、他の構成要素（例えば、信号、電圧、回路、素子、電極、配線等）についても同様である。
【0022】
また、複数の要素に同じ符号を用いる場合、特に、それらを区別する必要があるときには、符号に“＿１”、”＿２”、”［ｎ］”、”［ｍ，ｎ］”等の識別用の符号を付記して記載する場合がある。例えば、２番目の配線ＧＬを配線ＧＬ［２］と記載する。
【0023】
【0024】
【0025】
トランジスタ１１のゲートは、配線ＷＷＬに接続される。トランジスタ１１のソース又はドレインの一方は、トランジスタ１３のゲート、およびトランジスタ１２のソース又はドレインの一方に接続される。トランジスタ１１のソース又はドレインの他方は、配線ＢＬに接続される。なお図１Ａ中および本明細書中の説明において、トランジスタ１１のソース又はドレインの一方、トランジスタ１３のゲート、およびトランジスタ１２のソース又はドレインの一方が接続されるノードを、ノードＭＮ１という。
【0026】
トランジスタ１２のゲートは、配線ＲＷＬに接続される。トランジスタ１２のソース又はドレインの他方は、キャパシタ１４の一方の電極に接続される。キャパシタ１４の他方の電極は、配線ＣＬに接続される。なお図１Ａ中および本明細書中の説明において、トランジスタ１２のソース又はドレインの他方、およびキャパシタ１４の一方の電極が接続されるノードを、ノードＭＮ２という。なお配線ＣＬは固定電位が与えられる配線である。
【0027】
なおキャパシタ１４の静電容量値（ノードＭＮ２の容量値）は、トランジスタ１３のゲート容量（ノードＭＮ１の容量値）より大きい構成とすることが好ましい。図１Ａの構成では、半導体装置１０からデータを読み出す際、ノードＭＮ２からノードＭＮ１にデータを書き戻してデータを読み出す構成となる。そのため、ノードＭＮ１の容量値をノードＭＮ２の容量値より小さくしておくことで、データを書き戻す際に要する電荷量を低減することができる。
【0028】
トランジスタ１３のソース又はドレインの一方は、配線ＲＬに接続される。トランジスタ１３のソース又はドレインの他方は、配線ＳＬに接続される。
【0029】
トランジスタ１２は、ノードＭＮ１の電圧を、配線ＲＷＬに与えられる電圧に応じて、ノードＭＮ２に伝えるか否かを制御する機能を有する。またトランジスタ１２は、配線ＲＷＬに与えられる電圧に応じて、ノードＭＮ２に与えられる電圧をキャパシタ１４に保持する機能を有する。トランジスタ１２は、配線ＲＷＬに与えられる電圧に応じて導通状態または非導通状態（オンまたはオフともいう）が切り替えられるスイッチとして機能させることができる。
【0030】
トランジスタ１２として、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタという）で構成されることが好ましい。本発明の一態様の構成では、ＯＳトランジスタを有する記憶素子を用いる構成とすることで、オフ時にソースとドレイン間を流れるリーク電流（以下、オフ電流）が極めて低いことを利用して、所望の電圧を記憶素子に保持させることができる。
【0031】
トランジスタ１２は、チャネル形成領域が酸化物半導体を有するトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタという）で構成されることが好ましい。本発明の一態様の構成では、ＯＳトランジスタをトランジスタ１２に用いる構成とすることで、非導通状態（オフ）時にソースとドレイン間を流れるリーク電流（以下、オフ電流）が極めて低いことを利用して、半導体装置１０に書き込まれるデータに応じた電荷をキャパシタ１４に保持させることができる。つまり、トランジスタ１２およびキャパシタ１４で構成される電荷保持回路１５において、半導体装置１０に書き込んだデータを長時間保持することができる。
【0032】
加えてＯＳトランジスタを用いた電荷保持回路１５では、電荷の充電又は放電することによってデータの書き換えおよび読み出しが可能となるため、実質的に無制限回のデータの書き込みおよび読み出しが可能である。ＯＳトランジスタを用いた電荷保持回路１５は、磁気メモリあるいは抵抗変化型メモリなどのように原子レベルでの構造変化を伴わないため、書き換え耐性に優れている。またＯＳトランジスタを用いた電荷保持回路１５は、フラッシュメモリのように繰り返し書き換え動作でも電子捕獲中心の増加による不安定性が認められない。
【0033】
またＯＳトランジスタを用いた電荷保持回路１５は、チャネル形成領域がシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタ）を用いた回路上などに自由に配置可能であるため、集積化を容易に行うことができる。またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと同様の製造装置を用いて作製することが可能であるため、低コストで作製可能である。
【0034】
またＯＳトランジスタは、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極に加えて、バックゲート電極を含むと、４端子の半導体素子とすることができる。ゲート電極またはバックゲート電極に与える電圧に応じて、ソースとドレインとの間を流れる信号の入出力が独立制御可能な電気回路網で構成することができる。そのため、ＬＳＩと同一思考で回路設計を行うことができる。加えてＯＳトランジスタは、高温環境下において、Ｓｉトランジスタよりも優れた電気特性を有する。具体的には、１２５℃以上１５０℃以下といった高温下においてもオン電流とオフ電流の比が大きいため、良好なスイッチング動作を行うことができる。
【0035】
なおＳｉトランジスタに用いる材料としては、単結晶シリコン及び非単結晶シリコン（例えば、多結晶シリコン等）を用いることができる。Ｓｉトランジスタに単結晶シリコンを用いる場合、オン時にソースとドレインとの間を流れる電流（オン電流ともいう）を大きくすることができる。なお半導体層の材料としてはシリコンの他、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＳｉＧｅなどのような化合物半導体も用いることができる。
【0036】
トランジスタ１１は、配線ＢＬに与えられるデータに応じた電圧を、配線ＷＷＬに与えられる電圧に応じて、ノードＭＮ１に伝えるか否かを制御する機能を有する。トランジスタ１１は、配線ＷＷＬに与えられる電圧に応じて導通状態または非導通状態（オンまたはオフともいう）が切り替えられるスイッチとして機能させることができる。
【0037】
なお、スイッチとしてＳｉトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。
【0038】
配線ＢＬに与えられるデータは、データ’１’、又はデータ’０’の二値のデータとして表すことができる。データ’１’、又はデータ’０’は、電位の高低によって書き込まれる信号である。データ’１’は、ノードＭＮ２に保持された後、ノードＭＮ２からノードＭＮ１に電荷分配されることでトランジスタ１２にデータを読み出し可能な程度に電流を流すための電位である。データ’０’は、ノードＭＮ２に保持された後、ノードＭＮ２からノードＭＮ１に電荷分配された際にトランジスタ１２に電流を流さないための電位である。
【0039】
トランジスタ１３は、ノードＭＮ１の電位に応じて、ソース電極とドレイン電極との間を流れる電流量を制御する機能を有する。配線ＲＬは、プリチャージ回路によって電荷が与えられ（プリチャージされ）た後、トランジスタ１３を流れる電流量に応じて電位が変動する配線である。配線ＳＬは、ノードＭＮ１の電位に応じて、トランジスタ１３に流れる電流量を制御するための電位が与えられる配線である。
【0040】
図１Ａの構成とすることで、電荷の充電又は放電することによってデータの書き換えおよび読み出しが可能となるため、実質的に無制限回のデータの書き込みおよび読み出しが可能である。データの読み出し時において、保持した電荷を放電すること、いわゆる破壊読出しすることなくデータを読み出すことができるため、データリフレッシュに要する電荷の充電および放電の分の消費電力を低減することができる。
【0041】
また図１Ａの構成とすることで、ノードＭＮ１の容量値がノードＭＮ２の容量値より小さくなるため、データを書き戻す際に要する電荷量を低減することができる。そのため、保持した電荷を静電容量の大きい配線等に放電することなく、データを読み出すことができる。またノードＭＮ２の容量値を大きくすることで、データの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【0042】
図１Ｂには、図１Ａの半導体装置の動作例を説明するためにタイミングチャートを示す。図１Ｂでは、配線ＷＷＬ、配線ＲＷＬ、配線ＢＬ、配線ＲＬ、配線ＳＬ、ノードＭＮ１、およびノードＭＮ２におけるデータの書き込み及び読み出しに応じた電位の変動を模式的に図示している。図１Ｂでは、期間Ｔ１乃至Ｔ９に分けて図示しており、期間Ｔ１乃至Ｔ３がデータ書き込み期間、期間Ｔ４がデータ保持期間、期間Ｔ５乃至期間Ｔ９がデータ読み出し期間に相当する。また図１Ｂでは、データを’１’、’０’の信号と図示している。また半導体装置１０の動作例の説明において、トランジスタの導通状態または非導通状態を制御する信号が与えられる配線の電位をＨレベルまたはＬレベルの電位として説明する。
【0043】
また図２乃至図６では、図１Ｂの期間Ｔ１乃至Ｔ９における半導体装置１０の動作を模式的に説明するための図である。なお図２乃至図６において、実線矢印は、配線またはノードの間で入出力される信号の流れを模式的に表している。また図２乃至図６において、回路図における理解を容易にするため、非導通状態のトランジスタにバツ印を付している。
【0044】
図１Ｂの期間Ｔ１は、データ書き込み動作を行う期間である。図２Ａに図示するように、配線ＷＷＬをＨレベル、配線ＲＷＬをＨレベルとし、トランジスタ１１およびトランジスタ１２を導通状態とする。配線ＢＬではデータ’１’、’０’に応じた電位が与えられ、当該電位がノードＭＮ１およびノードＭＮ２に与えられる。配線ＲＬおよび配線ＳＬは同電位とし、トランジスタ１３に電流は流れない。
【0045】
【0046】
図１Ｂの期間Ｔ３は、データ書き込み動作を行う期間である。図３Ａに図示するように。配線ＷＷＬをＨレベル、配線ＲＷＬをＬレベルとし、トランジスタ１１を導通状態、トランジスタ１２を非導通状態とする。ノードＭＮ２ではデータ’１’、’０’に応じた電位が保持される。ノードＭＮ１ではデータ’１’、’０’に応じた電位が配線ＢＬに放電され、やがてＬレベルの電位となる。
【0047】
図１Ｂの期間Ｔ４は、データ保持を行う期間である。図３Ｂに図示するように。配線ＷＷＬをＬレベル、配線ＲＷＬをＬレベルとし、トランジスタ１１を非導通状態、トランジスタ１２を非導通状態とする。ノードＭＮ２ではデータ’１’、’０’に応じた電位が保持される。ノードＭＮ１では期間Ｔ３の電位、つまるＬレベルが保持される。ノードＭＮ２の電位は、トランジスタ１１及びトランジスタ１２を共に非導通状態とすることで、配線ＢＬに対して放電しにくくすることができる。
【0048】
図１Ｂの期間Ｔ５は、データ読み出し動作を行う期間である。図４Ａに図示するように。配線ＷＷＬをＬレベル、配線ＲＷＬをＬレベルとし、トランジスタ１１を非導通状態、トランジスタ１２を非導通状態とする。配線ＲＬは、所定の電位、例えばＨレベルの電位にプリチャージする（図中、ｐｒｅｃｈａｒｇｅと図示）。
【0049】
図１Ｂの期間Ｔ６は、データ読み出し動作を行う期間である。図４Ｂに図示するように、配線ＷＷＬをＬレベル、配線ＲＷＬをＨレベルとし、トランジスタ１１を非導通状態、トランジスタ１２を導通状態とする。ノードＭＮ２に保持された電荷がノードＭＮ１に分配され、ノードＭＮ１およびノードＭＮ２がデータ’１’、’０’に応じた電位となる。ノードＭＮ１の容量値は、ノードＭＮ２の容量値と比べて小さいため、電荷の分配に応じた電位の変動を小さくすることができる。トランジスタ１３では、ノードＭＮ１の電位、つまり電荷保持回路１５に保持されたデータ’１’、’０’に応じて、電流Ｉｒｅａｄが流れる。電流Ｉｒｅａｄは、ノードＭＮ１の電位がＨレベルつまりデータ’１’であれば大きく、ノードＭＮ１の電位がＬレベルつまりデータ’０’であれば小さい。そのため、データ’１’であれば、プリチャージされた配線ＲＬの電位の変動が大きく、データ’０’であれば、プリチャージされた配線ＲＬの電位の変動が小さくなる。期間Ｔ５でプリチャージされた配線ＲＬは、電流Ｉｒｅａｄの大小に応じて、電位が変動する。
【0050】
図１Ｂの期間Ｔ７は、データ読み出し動作を行う期間である。図５Ａに図示するように。トランジスタ１３では、ノードＭＮ１の電位に応じて、電流Ｉｒｅａｄが流れる。ノードＭＮ１のデータがデータ’１’、つまりＨレベルの電位であれば電流Ｉｒｅａｄが大きい。そのため、プリチャージされた配線ＲＬの電位の変動が大きい。逆に、ノードＭＮ１のデータがデータ’０’、つまりＬレベルの電位であれば電流Ｉｒｅａｄが小さい（配線ＲＬはＬレベルに変化する）。そのため、プリチャージされた配線ＲＬの電位の変動が小さい（配線ＲＬはＨレベルのまま）。そのため、半導体装置１０に書き込まれたデータは、配線ＲＬに読み出すことができる。
【0051】
図１Ｂの期間Ｔ８は、データ読み出し動作を行う期間である。図５Ｂに図示するように。配線ＷＷＬをＬレベル、配線ＲＷＬをＬレベルとし、トランジスタ１１を非導通状態、トランジスタ１２を非導通状態とする。ノードＭＮ１およびノードＭＮ２の電位が、データ’１’、’０’に応じた電位となる。
【0052】
図１Ｂの期間Ｔ９は、データ読み出し動作を行う期間である。図６に図示するように。配線ＷＷＬをＨレベル、配線ＲＷＬをＬレベルとし、トランジスタ１１を導通状態、トランジスタ１２を非導通状態とする。ノードＭＮ２ではデータ’１’、’０’に応じた電位が保持される。ノードＭＮ１ではデータ’１’、’０’に応じた電位が配線ＢＬに放電される。ノードＭＮ１では配線ＢＬの電位、つまりＬレベルとなる。トランジスタ１３では、電流Ｉｒｅａｄが流れなくなる。
【0053】
図１Ａの構成において、図１Ｂ、図２乃至図６の動作方法とすることで、電荷の充電又は放電することによってデータの書き換えおよび読み出しが可能となるため、実質的に無制限回のデータの書き込みおよび読み出しが可能である。データの読み出し時において、保持した電荷を放電すること、いわゆる破壊読出しすることなくデータ読み出すことができるため、データリフレッシュに要する電荷の充電および放電の分の消費電力を低減することができる。
【0054】
また図１Ａの構成において、図１Ｂ、図２乃至図６の動作方法とすることで、ノードＭＮ１の容量値がノードＭＮ２の容量値より小さいため、データを書き戻す際に要する電荷量を低減することができる。そのため、保持した電荷を静電容量の大きい配線等に放電することなく、データを読み出すことができる。またノードＭＮ２の容量値を大きくすることで、データの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【0055】
なおトランジスタ１１は、トランジスタ１２と同様に、ＯＳトランジスタとすることができる。ＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタを用いた回路上などに自由に配置可能であるため、集積化を容易に行うことができる。またＯＳトランジスタは、Ｓｉトランジスタと同様の製造装置を用いて作製することが可能であるため、低コストで作製可能である。図７Ａにおいて半導体装置１０Ａが有するトランジスタ１１Ａおよびトランジスタ１２Ａは、ＯＳトランジスタであることを明示するために、ＯＳの符号を合わせて付している。またトランジスタ１３Ａは、Ｓｉトランジスタであることを明示するために、Ｓｉの符号を合わせて付している。
【0056】
なおトランジスタ１１は、トランジスタ１３と同様に、Ｓｉトランジスタとすることができる。図７Ｂにおいて半導体装置１０Ｂが有するトランジスタ１２Ｂは、ＯＳトランジスタであることを明示するために、ＯＳの符号を合わせて付している。またトランジスタ１１Ｂおよびトランジスタ１３Ｂは、Ｓｉトランジスタであることを明示するために、Ｓｉの符号を合わせて付している。
【0057】
図７Ａにおいて、半導体装置１０Ａが有するトランジスタ１１Ａおよび１２Ａは、バックゲート電極がないトップゲート構造またはボトムゲート構造のトランジスタとして図示したが、トランジスタ１１Ａおよび１２Ａの構造はこれに限らない。例えば、図８Ａに図示する半導体装置１０Ｃのように、バックゲート電極線ＢＧＬに接続されたバックゲート電極を有するトランジスタ１１Ｃおよびトランジスタ１２Ｃとしてもよい。トランジスタ１３ＣはＳｉトランジスタである。図８Ａの構成とすることで、トランジスタ１１Ｃおよびトランジスタ１２Ｃのしきい値電圧などの電気特性を外部より制御しやすくすることができる。
【0058】
あるいは図８Ｂに図示する半導体装置１０Ｄのように、ゲート電極に接続されたバックゲート電極を有するトランジスタ１１Ｄおよびトランジスタ１２Ｄとしてもよい。トランジスタ１３ＤはＳｉトランジスタである。図８Ｂの構成とすることで、トランジスタ１１Ｄおよびトランジスタ１２Ｄを流れる電流量を増やすことができる。
【0059】
図７Ａにおいて、半導体装置１０Ａが有するトランジスタ１３Ａは、ｎチャネル型のトランジスタとして図示したが、トランジスタ１３Ａの導電型はこれに限らない。例えば、図９Ａに図示する半導体装置１０Ｅのように、ｐチャネル型のトランジスタ１３Ｅとすることができる。トランジスタ１１Ｅおよびトランジスタ１２Ｅはｎチャネル型のＯＳトランジスタである。
【0060】
図７Ｂにおいて、半導体装置１０Ｂが有するトランジスタ１１Ｂおよびトランジスタ１３Ｂは、ｎチャネル型のトランジスタとして図示したが、トランジスタ１１Ｂおよびトランジスタ１３Ｂの導電型はこれに限らない。例えば、図９Ｂに図示する半導体装置１０Ｆのように、ｐチャネル型のトランジスタ１１Ｆおよび１３Ｆとすることができる。トランジスタ１２Ｆはｎチャネル型のＯＳトランジスタである。
【0061】
図７Ｂにおいて、半導体装置１０Ｂが有するトランジスタ１１Ｂおよびトランジスタ１３Ｂは、同じ導電型のトランジスタとして図示したが、トランジスタ１１Ｂおよびトランジスタ１３Ｂの導電型は別々でもよい。例えば、図９Ｃに図示する半導体装置１０Ｇのように、ｎチャネル型のトランジスタ１１Ｇと、ｐチャネル型のトランジスタ１３Ｇとすることができる。トランジスタ１２Ｇはｎチャネル型のＯＳトランジスタである。
【0062】
なお半導体装置１０は、マトリクス状に配置することができる。図１０には、図１Ａの半導体装置１０を２行２列のマトリクス状に配置する場合の構成例を図示している。図１０において、半導体装置１０は、半導体装置１０＿１乃至１０＿４として図示している。また図１０では、各半導体装置１０＿１乃至１０＿４に接続される配線として、配線ＲＷＬ＿１、ＲＷＬ＿２、配線ＷＷＬ＿１、ＷＷＬ＿２、配線ＲＬ＿１、ＲＬ＿２、配線ＢＬ＿１、ＢＬ＿２、および配線ＳＬ＿１、ＳＬ＿２を図示している。
【0063】
【0064】
なお図１０の構成において、異なる配線同士の機能を共通化して、配線数を削減する構成とすることができる。一例として図１２では、図１０における配線ＲＬ＿１、ＲＬ＿２と配線ＳＬ＿１、ＳＬ＿２との機能を兼ね備えるよう動作させることで、配線ＳＬ＿１、ＳＬ＿２を省略する構成例を図示している。つまり配線ＲＬは、配線ＳＬと同じ配線であるとして動作させることで、配線数を削減することができる。
【0065】
図１３には、図１２に図示する構成における動作例を説明するためのタイミングチャート図を示す。なお図１３に示すタイミングチャートが図１１に示すタイミングチャートと異なる点としては、１行目の半導体装置へのデータ書き込み動作の際、その他の行、例えば２行目の配線ＷＷＬ＿２をＬレベルとしておく点が異なる。当該構成とすることで、データ書き込み時にトランジスタ１３を流れる電流を抑制することができる。なおその他の期間のタイミングチャートの詳細については、図１Ｂと重複するため、説明を省略する。
【0066】
また図１２とは別の例として、図１４では、図１０における配線ＳＬ＿１とＳＬ＿２との機能を兼ね備えるよう動作させることで、配線ＳＬ＿２を省略する構成例を図示している。つまり配線ＳＬは、複数の半導体装置間で共有させることで、配線数を削減することができる。
【0067】
以上説明した実施の形態で説明した構成では、電荷の充電又は放電することによってデータの書き換えおよび読み出しが可能となるため、実質的に無制限回のデータの書き込みおよび読み出しが可能である。データの読み出し時において、保持した電荷を放電すること、いわゆる破壊読出しすることなくデータ読み出すことができるため、データリフレッシュに要する電荷の充電および放電の分の消費電力を低減することができる。
【0068】
また以上説明した実施の形態で説明した構成では、ノードＭＮ１の容量値がノードＭＮ２の容量値より小さいため、データを書き戻す際に要する電荷量を低減することができる。そのため、保持した電荷を静電容量の大きい配線等に放電することなく、データを読み出すことができる。またノードＭＮ２の容量値を大きくすることで、データの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【0069】
（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。
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。
【0070】
図１５に示す半導体装置は、トランジスタ１３と、トランジスタ１２と、キャパシタ１４と、を有している。図１７Ａはトランジスタ１２のチャネル長方向の断面図であり、図１７Ｂはトランジスタ１２のチャネル幅方向の断面図であり、図１７Ｃはトランジスタ１３のチャネル幅方向の断面図である。
【0071】
トランジスタ１２は、ＯＳトランジスタである。トランジスタ１２は、オフ電流が小さい。このため、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【0072】
本実施の形態で説明する半導体装置は、図１５に示すようにトランジスタ１３、トランジスタ１２、及びキャパシタ１４を有する。トランジスタ１２はトランジスタ１３の上方に設けられ、キャパシタ１４はトランジスタ１３、及びトランジスタ１２の上方に設けられている。
【0073】
トランジスタ１３は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域又はドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、及び低抵抗領域３１４ｂを有する。
【0074】
トランジスタ１３は、図１７Ｃ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１３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１３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１３のオフ特性を向上させることができる。
【0075】
なお、トランジスタ１３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。
【0076】
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１３をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
【0077】
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。
【0078】
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、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。
【0079】
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として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
【0080】
なお、図１５に示すトランジスタ１３は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、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１６に示すとおり、トランジスタ１３の構成を、ＯＳトランジスタであるトランジスタ１２と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ１２の詳細については後述する。
【0081】
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。
【0082】
トランジスタ１３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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ１３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。
【0086】
また、絶縁体３２４には、基板３１１、又はトランジスタ１３等から、トランジスタ１２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。
【0087】
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１２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１２と、トランジスタ１３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。
【0088】
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、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【0089】
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【0090】
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、及び絶縁体３２６にはキャパシタ１４、又はトランジスタ１２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。
【0091】
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。
【0092】
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１５において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ１３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。
【0093】
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。当該構成により、トランジスタ１３とトランジスタ１２とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ１３からトランジスタ１２への水素の拡散を抑制することができる。
【0094】
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ１３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。
【0095】
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１５において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ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。
【0096】
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。当該構成により、トランジスタ１３とトランジスタ１２とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ１３からトランジスタ１２への水素の拡散を抑制することができる。
【0097】
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１５において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ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。
【0098】
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。当該構成により、トランジスタ１３とトランジスタ１２とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ１３からトランジスタ１２への水素の拡散を抑制することができる。
【0099】
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１５において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ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。
【0100】
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。当該構成により、トランジスタ１３とトランジスタ１２とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ１３からトランジスタ１２への水素の拡散を抑制することができる。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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１３を設ける領域等からトランジスタ１２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。
【0104】
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１２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１２と、トランジスタ１３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。
【0105】
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。
【0106】
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１２への混入を防止することができる。また、トランジスタ１２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１２に対する保護膜として用いることに適している。
【0107】
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。
【0108】
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１２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、キャパシタ１４、又はトランジスタ１３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。
【0109】
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１３とトランジスタ１２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１３からトランジスタ１２への水素の拡散を抑制することができる。
【0110】
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ１２が設けられている。
【0111】
図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、トランジスタ１２は、絶縁体５１４及び絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６及び導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面及び側面に配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５５０と、絶縁体５５０の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。
【0112】
また、図１７Ａ、図１７Ｂ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１７Ａ、図１７Ｂ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１７Ａ、図１７Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、及び絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。
【0113】
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。
【0114】
なお、トランジスタ１２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１２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１５、図１６、図１７Ａ、図１７Ｂに示すトランジスタ１２は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【0115】
ここで、導電体５６０は、トランジスタ１２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１２において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ１２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。
【0116】
さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａ又は導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂと、の間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ１２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。
【0117】
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１２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１２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。
【0118】
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。
【0119】
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１２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。
【0120】
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。
【0121】
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。
【0122】
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。
【0123】
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。
【0124】
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１２の信頼性を向上させることができる。
【0125】
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、又は１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
【0126】
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「ＶＯＨ→ＶＯ＋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Ｈ２Ｏ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。
【0127】
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（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））は５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下とするとよい。
【0128】
また、トランジスタ１２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（ＶＯ）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。
【0129】
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「ＶＯ＋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Ｈ２Ｏ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ＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
【0130】
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。
【0131】
絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素が絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
【0132】
絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム及びハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）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。
【0133】
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１２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。
【0134】
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。
【0135】
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。
【0136】
なお、図１７Ａ、図１７Ｂのトランジスタ１２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。
【0137】
トランジスタ１２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。なお、トランジスタ１２のオン電流を高めたい場合においては、酸化物５３０にＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いると好適である。酸化物５３０にＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いる場合、例えば、酸化物５３０ａにＩｎ－Ｚｎ酸化物を用い、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃにＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を用いる積層構造、または、酸化物５３０ａにＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を用い、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃのいずれか一方にＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いる積層構造などが挙げられる。
【0138】
また、トランジスタ１２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場合においては、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、欠陥準位密度の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。
【0139】
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ＶＯＨを形成する場合がある。ＶＯＨ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ＶＯＨ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、ＶＯＨ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。ＶＯＨ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。
【0140】
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。
【0141】
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、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。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。
【0142】
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、１×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ－３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ－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。
【0143】
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。
【0144】
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。
【0145】
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。
【0146】
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。
【0147】
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。
【0148】
なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の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。
【0149】
具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］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］、または１：１：１［原子数比］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］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］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］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造などが挙げられる。
【0150】
また、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａ及び酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【0151】
ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、及び酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化又は連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、及び酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【0152】
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。
【0153】
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１２は高いオン電流を得られる。
【0154】
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、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）など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。
【0155】
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。
【0156】
層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。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族カルコゲナイドなどが挙げられる。
【0157】
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ＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
【0158】
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、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。
【0159】
また、図１７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。
【0160】
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。
【0161】
また、図１７Ａ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。
【0162】
酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア濃度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。
【0163】
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。
【0164】
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。
【0165】
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、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。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。
【0166】
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。
【0167】
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。
【0168】
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。
【0169】
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。
【0170】
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。
【0171】
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。
【0172】
【0173】
導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２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。
【0174】
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。
【0175】
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。
【0176】
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。
【0177】
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。
【0178】
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。
【0179】
絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、及び絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０、及び絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。
【0180】
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。
【0181】
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。
【0182】
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。
【0183】
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。
【0184】
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。
【0185】
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１２への混入を防止することができる。また、トランジスタ１２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１２に対する保護膜として用いることに適している。
【0186】
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。
【0187】
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。
【0188】
導電体５４６、及び導電体５４８は、キャパシタ１４、トランジスタ１２、又はトランジスタ１３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。
【0189】
なお、トランジスタ１２の形成後、トランジスタ１２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１２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１２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１２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１２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。
【0190】
続いて、トランジスタ１２の上方には、キャパシタ１４が設けられている。キャパシタ１４は、導電体６１０、導電体６２０、及び絶縁体６３０を有する。
【0191】
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１２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、キャパシタ１４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。
【0192】
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。
【0193】
図１５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。
【0194】
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。
【0195】
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。
【0196】
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。
【0197】
図１８Ａ、図１８Ｂは、図１７Ａ、図１７Ｂに示すトランジスタ１２の変形例である。図１７Ａはトランジスタ１２のチャネル長方向の断面図であり、図１７Ｂはトランジスタ１２のチャネル幅方向の断面図である。なお、図１８Ａ、図１８Ｂに示す構成は、トランジスタ１３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。
【0198】
図１８Ａは、トランジスタ１２のチャネル長方向の断面図であり、図１８Ｂは、トランジスタ１２のチャネル幅方向の断面図である。図１８Ａ、図１８Ｂに示すトランジスタ１２は、絶縁体４０２及び絶縁体４０４を有する点が、図１７Ａ、図１７Ｂに示すトランジスタ１２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１７Ａ、図１７Ｂに示すトランジスタ１２と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図１７Ａ、図１７Ｂに示すトランジスタ１２と異なる。
【0199】
【0200】
図１８Ａ、図１８Ｂに示すトランジスタ１２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。
【0201】
絶縁体４０２及び絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）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ので、トランジスタ１２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。
【0202】
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。たとえば、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ので、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及び導電体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。
【0203】
【0204】
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。
【0205】
（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。
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。
【0206】
＜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。
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。
【0207】
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。
【0208】
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。
【0209】
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。
【0210】
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。
【0211】
＜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。
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。
【0212】
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。
【0213】
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。
【0214】
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。
【0215】
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。
【0216】
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。
【0217】
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。
【0218】
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。
【0219】
＜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。
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。
【0220】
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。
【0221】
また、トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。
【0222】
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【0223】
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。
【0224】
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。
【0225】
＜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。
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。
【0226】
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0227】
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、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0228】
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、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0229】
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、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【0230】
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。
【0231】
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。
【0232】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１に記載の半導体装置１０を用いた記憶装置について説明する。
本実施の形態では、実施の形態１に記載の半導体装置１０を用いた記憶装置について説明する。
【0233】
＜記憶装置＞
図２０は、記憶装置の構成例を示すブロック図である。記憶装置３０は、周辺回路３１、およびセルアレイ５１を有する。周辺回路３１は、ローデコーダ３２、ワード線ドライバ回路３３、ビット線ドライバ回路３４、出力回路３５、コントロールロジック回路３６を有する。
図２０は、記憶装置の構成例を示すブロック図である。記憶装置３０は、周辺回路３１、およびセルアレイ５１を有する。周辺回路３１は、ローデコーダ３２、ワード線ドライバ回路３３、ビット線ドライバ回路３４、出力回路３５、コントロールロジック回路３６を有する。
【0234】
ワード線ドライバ回路３３は、配線ＷＬに電位を供給する機能を有する。ビット線ドライバ回路３４は、カラムデコーダ４１、プリチャージ回路４２、増幅回路４３、および書き込み回路４４を有する。プリチャージ回路４２は、配線ＲＬなどをプリチャージする機能を有する。増幅回路４３は、配線ＲＬから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、配線ＷＷＬ、配線ＲＷＬ、配線ＳＬ、配線ＢＬ、および配線ＲＬは、上記実施の形態１で説明したように、セルアレイ５１が有するメモリセルとして機能する半導体装置１０に接続されている配線である。増幅されたデータ信号は、出力回路３５を介して、デジタルのデータ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置３０の外部に出力される。
【0235】
記憶装置３０には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路３１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、セルアレイ５１用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。
【0236】
また、記憶装置３０には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、ローデコーダ３２およびカラムデコーダ４１に入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路４４に入力される。
【0237】
コントロールロジック回路３６は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、ローデコーダ３２、カラムデコーダ４１の制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路３６が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
【0238】
なお、上述の各回路あるいは各信号は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。
【0239】
セルアレイ５１を構成するトランジスタにＯＳトランジスタを適用することができる。また、周辺回路３１を構成するトランジスタにＯＳトランジスタを適用することができる。セルアレイ５１と周辺回路３１を、ＯＳトランジスタを用いて形成することで、セルアレイ５１と周辺回路３１を、同一の製造工程で作製することが可能になり、製造コストを低く抑えることができる。
【0240】
〔セルアレイの構成例〕
図２１にセルアレイ５１の詳細を記載する。セルアレイ５１は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である。）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である。）個、計ｍ×ｎ個のメモリセルとして機能する半導体装置１０を有し、半導体装置１０は、図１０、図１２、及び図１４で例示したように、行列状に配置されている。図２１では、半導体装置１０のアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である。）のアドレスに位置している半導体装置１０を図示している。なお、セルアレイ５１とワード線ドライバ回路３３とを接続している配線の数は、半導体装置１０の構成、一列中に含まれる半導体装置１０の数などによって決まる。また、セルアレイ５１とビット線ドライバ回路３４とを接続している配線の数は、半導体装置１０の構成、一行中に含まれる半導体装置１０の数などによって決まる。
図２１にセルアレイ５１の詳細を記載する。セルアレイ５１は、一列にｍ（ｍは１以上の整数である。）個、一行にｎ（ｎは１以上の整数である。）個、計ｍ×ｎ個のメモリセルとして機能する半導体装置１０を有し、半導体装置１０は、図１０、図１２、及び図１４で例示したように、行列状に配置されている。図２１では、半導体装置１０のアドレスも併せて表記しており、［１，１］、［ｍ，１］、［ｉ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｍ，ｎ］（ｉは、１以上ｍ以下の整数であり、ｊは、１以上ｎ以下の整数である。）のアドレスに位置している半導体装置１０を図示している。なお、セルアレイ５１とワード線ドライバ回路３３とを接続している配線の数は、半導体装置１０の構成、一列中に含まれる半導体装置１０の数などによって決まる。また、セルアレイ５１とビット線ドライバ回路３４とを接続している配線の数は、半導体装置１０の構成、一行中に含まれる半導体装置１０の数などによって決まる。
【0241】
半導体装置１０の構成とすることで、電荷の充電又は放電することによってデータの書き換えおよび読み出しが可能となるため、実質的に無制限回のデータの書き込みおよび読み出しが可能である。データの読み出し時において、保持した電荷を放電すること、いわゆる破壊読出しすることなくデータ読み出すことができるため、データリフレッシュに要する電荷の充電および放電の分の消費電力を低減することができる。
【0242】
また半導体装置１０の構成とすることで、データを書き戻す際に要する電荷量を低減することができる。そのため、保持した電荷を静電容量の大きい配線等に放電することなく、データを読み出すことができる。またデータの長時間の保持といった信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
【0243】
（実施の形態５）
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
【0244】
【0245】
図２２Ａに電子部品７００および電子部品７００が実装された基板（実装基板７０４）の斜視図を示す。図２２Ａに示す電子部品７００はＩＣチップであり、リードおよび回路部を有する。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２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７０２上で電気的に接続されることで実装基板７０４が完成する。
【0246】
電子部品７００の回路部として、上記実施の形態に示した記憶装置３０が設けられている。図２２Ａでは、電子部品７００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。記憶装置はＳｉトランジスタが設けられた層６１とＯＳトランジスタが設けられた層６２とが積層されている。
【0247】
図２２Ｂに電子部品７３０の斜視図を示す。電子部品７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品７３０は、パッケージ基板７３２（プリント基板）上にインターポーザ７３１が設けられ、インターポーザ７３１上に半導体装置７３５、および複数の記憶装置３０が設けられている。
【0248】
電子部品７３０では、記憶装置３０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置７３５には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの集積回路（半導体装置）を用いることができる。
【0249】
パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、またはガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ７３１には、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。
【0250】
インターポーザ７３１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、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ７３１は、インターポーザ７３１上に設けられた集積回路をパッケージ基板７３２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」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ７３１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７３２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。
【0251】
インターポーザ７３１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。
【0252】
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。
【0253】
また、シリコンインターポーザを用いたＳｉＰやＭＣＭなどでは、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。
【0254】
また、電子部品７３０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７３１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７３０では、記憶装置３０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。
【0255】
電子部品７３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板７３２の底部に電極７３３を設けてもよい。図２２Ｂでは、電極７３３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７３２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７３３を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板７３２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。
【0256】
電子部品７３０は、ＢＧＡおよび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）、またはＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）などの実装方法を用いることができる。
【0257】
＜電子機器＞
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図２３を用いて説明を行う。
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図２３を用いて説明を行う。
【0258】
ロボット７１００は、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ（赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど）、および移動機構などを備える。電子部品７３０はプロセッサなどを有し、これら周辺機器を制御する機能を有する。例えば、電子部品７００はセンサで取得されたデータを記憶する機能を有する。
【0259】
マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット７１００は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット７１００において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
【0260】
カメラは、ロボット７１００の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット７１００は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット７１００は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。
【0261】
飛行体７１２０は、プロペラ、カメラ、およびバッテリなどを有し、自律して飛行する機能を有する。電子部品７３０はこれら周辺機器を制御する機能を有する。
【0262】
例えば、カメラで撮影した画像データは、電子部品７００に記憶される。電子部品７３０は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。また、電子部品７３０によってバッテリの蓄電容量の変化から、バッテリ残量を推定することができる。
【0263】
掃除ロボット７１４０は、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット７１４０には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット７１４０は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。
【0264】
例えば、電子部品７３０は、カメラが撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシに絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシの回転を止めることができる。
【0265】
自動車７１６０は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。例えば、電子部品７３０は、ナビゲーション情報、速度、エンジンの状態、ギアの選択状態、ブレーキの使用頻度などのデータに基づいて、自動車７１６０の走行状態を最適化するための制御を行う。例えば、カメラで撮影した画像データは電子部品７００に記憶される。
【0266】
電子部品７００および／または電子部品７３０は、ＴＶ装置７２００（テレビジョン受像装置）、スマートフォン７２１０、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）７２２０、７２３０、ゲーム機７２４０、ゲーム機７２６０等に組み込むことができる。
【0267】
例えば、ＴＶ装置７２００に内蔵された電子部品７３０は画像エンジンとして機能させることができる。例えば、電子部品７３０は、ノイズ除去、解像度アップコンバージョンなどの画像処理を行う。
【0268】
スマートフォン７２１０は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン７２１０は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。電子部品７３０によってこれら周辺機器が制御される。
【0269】
ＰＣ７２２０、ＰＣ７２３０はそれぞれノート型ＰＣ、据え置き型ＰＣの例である。ＰＣ７２３０には、キーボード７２３２、およびモニタ装置７２３３が無線または有線により接続可能である。ゲーム機７２４０は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０は据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０には、無線または有線でコントローラ７２６２が接続されている。コントローラ７２６２に、電子部品７００および／または電子部品７３０を組み込むこともできる。
【0270】
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0271】
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
【0272】
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態あるいは実施例に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【0273】
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
【0274】
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
【0275】
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
【0276】
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【0277】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
【0278】
また、図面等において図示する構成要素の位置関係は、相対的である。従って、図面を参照して構成要素を説明する場合、位置関係を示す「上に」、「下に」等の語句は便宜的に用いられる場合がある。構成要素の位置関係は、本明細書の記載内容に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【0279】
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）という表記を用いる。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【0280】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【0281】
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電圧（接地電圧）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
【0282】
また本明細書等において、ノードは、回路構成やデバイス構造等に応じて、端子、配線、電極、導電層、導電体、不純物領域等と言い換えることが可能である。また、端子、配線等をノードと言い換えることが可能である。
【0283】
本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが電気的に接続されているものをいう。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で対象物（スイッチ、トランジスタ素子、またはダイオード等の素子、あるいは当該素子および配線を含む回路等を指す）が存在する場合にＡとＢとの電気信号の伝達が可能である接続をいう。なおＡとＢとが電気的に接続されている場合には、ＡとＢとが直接接続されている場合を含む。ここで、ＡとＢとが直接接続されているとは、上記対象物を介することなく、ＡとＢとの間で配線（または電極）等を介してＡとＢとの電気信号の伝達が可能である接続をいう。換言すれば、直接接続とは、等価回路で表した際に同じ回路図として見なせる接続をいう。
【0284】
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
【0285】
本明細書等において、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の間の距離をいう。
【0286】
本明細書等において、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。
【0287】
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【符号の説明】
【0288】
ＢＬ＿１：配線、ＭＮ１：ノード、ＭＮ２：ノード、ＲＬ＿１：配線、ＲＷＬ＿１：配線、ＳＬ＿１：配線、ＳＬ＿２：配線、Ｔ１：期間、Ｔ２：期間、Ｔ３：期間、Ｔ４：期間、Ｔ５：期間、Ｔ６：期間、Ｔ７：期間、Ｔ８：期間、Ｔ９：期間、ＷＷＬ＿１：配線、ＷＷＬ＿２：配線、１０：半導体装置、１０＿１：半導体装置、１０＿４：半導体装置、１０Ａ：半導体装置、１０Ｂ：半導体装置、１０Ｃ：半導体装置、１０Ｄ：半導体装置、１０Ｅ：半導体装置、１０Ｆ：半導体装置、１０Ｇ：半導体装置、１１：トランジスタ、１１Ａ：トランジスタ、１１Ｂ：トランジスタ、１１Ｃ：トランジスタ、１１Ｄ：トランジスタ、１１Ｅ：トランジスタ、１１Ｆ：トランジスタ、１１Ｇ：トランジスタ、１２：トランジスタ、１２Ａ：トランジスタ、１２Ｂ：トランジスタ、１２Ｃ：トランジスタ、１２Ｄ：トランジスタ、１２Ｅ：トランジスタ、１２Ｆ：トランジスタ、１２Ｇ：トランジスタ、１３：トランジスタ、１３Ａ：トランジスタ、１３Ｂ：トランジスタ、１３Ｃ：トランジスタ、１３Ｄ：トランジスタ、１３Ｅ：トランジスタ、１３Ｇ：トランジスタ、１４：キャパシタ、１５：電荷保持回路、３０：記憶装置、３１：周辺回路、３２：ローデコーダ、３３：ワード線ドライバ回路、３４：ビット線ドライバ回路、３５：出力回路、３６：コントロールロジック回路、４１：カラムデコーダ、４２：プリチャージ回路、４３：増幅回路、４４：回路、５１：セルアレイ、６１：層、６２：層、３００：記憶装置、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４０２：絶縁体、４０４：絶縁体、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４６：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：絶縁体、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７４：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８６：絶縁体、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６４０：絶縁体、７００：電子部品、７０２：プリント基板、７０４：実装基板、７３０：電子部品、７３１：インターポーザ、７３２：パッケージ基板、７３３：電極、７３５：半導体装置、７１００：ロボット、７１２０：飛行体、７１４０：掃除ロボット、７１６０：自動車、７２００：ＴＶ装置、７２１０：スマートフォン、７２２０：ＰＣ、７２３０：ＰＣ、７２３２：キーボード、７２３３：モニタ装置、７２４０：ゲーム機、７２６０：ゲーム機、７２６２：コントローラ
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】